CN112366250A - 一种GaN基紫外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基紫外探测器及其制作方法，方法制作方法包括：一、提供衬底，所述衬底设有多条梯形条和多条梯形槽，所述梯形条和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条的上表面设有保护层；二、在梯形槽内形成吸收晶体层，所述吸收晶体层由GaN制成，其中，每个梯形槽内设有隔离槽，所述隔离槽将梯形槽内的吸收晶体层分开成两个；三、在吸收晶体层上形成电极，所述电极与所有吸收晶体层形成导电连接。本发明通过衬底上的梯形条和梯形槽形成阵列结构，使得形成在梯形槽内吸收晶体层被梯形条隔开，从而增加吸收晶体层的吸光面积，并减少吸收晶体层的缺陷密度，有效来增强本发明GaN基紫外探测器对紫外光光致电流反应。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测器技术领域，尤其涉及一种GaN基紫外探测器及其制作方法。
背景技术
作为第三代半导体之一，GaN因为其独特的光电子特性(3.4eV禁带宽度)，被公认为紫外探测器的核心材料，非常适用于高度集成紫外光电子器件。但是对于传统的GaN紫外探测器来说，其通常是在平面衬底之上制备而成，而平面结构的探测器具有很高的表面反射效率，会导致探测器的光子吸收效率、光探测率以及响应率等性能会受到影响。近些年来，表面修正技术被越来越多的使用于有效地减少表面反射和增强光子的吸收效率方面，尤其是对GaN、AlGaN等外延材料的器件。在诸多表面修正技术中，自上而下的基底微加工技术、自下而上的合成纳米材料(纳米结构和薄膜材料)技术以及二者的结合被认为是最有效的方法和技术路径。利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括：光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器(PSD)、光电耦合器件等。
目前大多数紫外探测器的光电响应在准确性和灵敏度方面有待进一步提高，同时由于不可避免的表面反射，导致入射光子在探测器中的吸收效率也未能达到理论值，因此紫外探测器在量子效率、光响应率等光电性能是目前研究人员急需要解决的问题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种GaN基紫外探测器及其制作方法，增加紫外光吸光面积，减少晶体缺陷密度，增强紫外光光致电流反应。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种GaN基紫外探测器的制作方法，包括：
一、提供衬底，所述衬底设有多条梯形条和多条梯形槽，所述梯形条和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条的上表面设有保护层；
二、在梯形槽内形成吸收晶体层，所述吸收晶体层由GaN制成，其中，每个梯形槽内设有隔离槽，所述隔离槽将梯形槽内的吸收晶体层分开成两个；
三、在吸收晶体层上形成电极，所述电极与所有吸收晶体层形成导电连接。
作为上述方案的改进，所述衬底为硅衬底，所述梯形槽的正面为硅衬底的100晶面，所述梯形条的侧面为硅衬底的111晶面，所述吸收晶体层在硅衬底的100晶面上形成。
作为上述方案的改进，所述梯形槽的底部宽度为13～23μm，所述梯形条和梯形槽的总宽度为30～70μm。
作为上述方案的改进，所述梯形条的侧面与所述梯形槽的正面的夹角角度为125°～145°。
作为上述方案的改进，所述吸收晶体层的制备方法包括：
(21)、采用MOCVD或HVPE法在梯形槽内沉积形成吸收晶体层；
(22)对步骤(11)形成的吸收晶体层进行蚀刻，刻蚀至衬底的表面形成所述隔离槽，以将梯形槽内的吸收晶体层分开成两个。
作为上述方案的改进，步骤(21)中，采用MOCVD沈积法在梯形槽内形成吸收晶体层，其中，
在压力为500～600torr，温度为900～1100℃，生长速度小于2μm/HR的条件下，形成所述吸收晶体层。
作为上述方案的改进，所述隔离槽的宽度为5μm以上；
所述吸收晶体层比梯形条高0.5～1.5μm。
作为上述方案的改进，所述电极为金属叠层结构，包括镍层和金层；其中，
所述镍层的厚度为5～20nm，所述金层的厚度为7～30nm；
所述保护层由绝缘材料制成，厚度为0.6～1μm。
作为上述方案的改进，GaN基紫外探测器的光敏面积为0.1～0.4mm2，响应波段为250～350nm，峰值响应度不低于500A/W，暗电流小于1.0nA(1V)。
相应地，本发明还提供了一种GaN基紫外探测器，其上述的制作方法制得，包括衬底、吸收晶体层和电极，其中，所述衬底设有多条梯形条和多条梯形槽，所述梯形条和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条的上表面设有保护层；每个梯形槽内设有隔离槽和两个吸收晶体层，所述隔离槽将两个吸收晶体层隔开；所述电极设置在吸收晶体层上，并与所有吸收晶体层形成导电连接。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过衬底上的梯形条和梯形槽形成阵列结构，使得形成在梯形槽内吸收晶体层被梯形条隔开，从而增加吸收晶体层的吸光面积，并减少吸收晶体层的缺陷密度；此外，本发明通过形成梯形条和梯形槽的排列方式，来增强本发明GaN基紫外探测器对紫外光光致电流反应，其中，本发明GaN基紫外探测器的光敏面积为0.1～0.4mm2，响应波段为250～350nm，峰值响应度不低于500A/W，暗电流小于1.0nA(1V)。
本发明实现了晶圆级纳米阵列生长，通过优化设计和生长高质量GaN基纳米线阵列，突破晶圆级纳米阵列外延工艺。
此外，本发明在吸收晶体层上设置的电极可以将其形成并联连接，根据公式1/R＝1/R1+1/R2+…+R10，得出内电阻R，进而转换成V＝V1+V2+…+V10，从而增强紫外光光致电流反应。
附图说明
图1是本发明衬底的结构示意图；
图2是本发明在衬底上形成吸收晶体层后的结构示意图；
图3是本发明在吸收晶体层上形成电极后的结构示意图；
图4是本发明GaN基紫外探测器的立体图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供的一种GaN基紫外探测器的制作方法，包括以下步骤：
一、提供衬底；
参见图1，所述衬底10设有多条梯形条11和多条梯形槽12，所述梯形条11和梯形槽12交替设置形成阵列结构，所述梯形条11的上表面设有保护层13，用于隔绝吸收晶体层，使得衬底上的吸收晶体层可以形成并联连接。因此，所述保护层13由绝缘材料制成。优选的，所述保护层13的材料选自二氧化硅、氮化硅和三氧化二铝中的一种或几种。
其中，保护层13的厚度对于隔绝吸收晶体层以及吸收晶体层的形成起着重要的作用，若保护层13的厚度过薄，则起不到隔绝的作用，若保护层13的厚度过厚，则影响吸收晶体层的形成，且增加成本。优选的，所述保护层13的厚度为0.6～1μm。更优的，所述保护层13的厚度为0.6～0.8μm。
其中，本发明的衬底10优选为硅衬底，由于硅衬底容易获得且价格优惠，与蓝宝石衬底相比，硅衬底不易透光，因此对探测器的收光影响更少，更重要的是，硅衬底容易形成梯形槽12和梯形条11。此外，本发明的衬底还可以为GaAs衬底和InP衬底，但不限于此。
优选的，所述梯形槽12的正面为硅衬底的100晶面14，所述梯形条11的侧面为硅衬底的111晶面15，所述吸收晶体层在硅衬底的100晶面14上形成。若吸收晶体层生长在硅衬底的111晶面15上，则在成长的过程中，只会长一个晶轴的方向，虽然晶格失配少，生长出来的质量会比较好，但只能生长出平面结构，无法形成立体结构；而吸收晶体层生长在硅衬底的100晶面14上，则可以沿X轴方向和Y轴方向生长，生长出立体状结构，因此本发明的吸收晶体层要形成立体状结构才能增加其表面积，接收更多的光，进而提高精度和灵敏性。
具体的，晶面(Faces)在晶体学中，为通过晶体中原子中心的平面。晶体在自发生长过程中可发育出由不同取向的平面所组成的多面体外形，这些多面体外形中的平面称为晶面。
其中，本发明衬底10上的梯形槽12用于隔绝吸收晶体层，同时为吸收晶体层提供生长基底，因此梯形槽12的宽度和深度对吸收晶体层的形成起着重要的作用。若梯形槽12的深度太浅，则形成在同一个梯形条11两侧的吸收晶体层容易连接在一起，若梯形槽12的深度太深，则吸收晶体层不能沿着梯形条11的斜面生长，无法达到最大的吸收面积。此外，若梯形槽12的宽度过小，则形成在同一个梯形槽12内的吸收晶体层容易连接在一起，若梯形槽12的宽度过宽，则会减少吸收晶体层的吸收面积。优选的，所述梯形槽12的底部宽度为13～23μm，所述梯形槽12的高度为1～3μm。更优的，所述梯形槽12的底部宽度为15～20μm，所述梯形槽12的高度为1.5～2μm。
其中，所述吸收晶体层在沉积生长的时候，需要沿着梯形条11的侧面沉积成形，若梯形条11的侧面与梯形槽12正面的夹角(θ)过大，则减少吸收晶体层的长晶面积；若梯形条11的侧面与梯形槽12正面的夹角(θ)过小，则增加吸收晶体层沿着梯形条11的侧面沉积成型的难度。优选的，所述夹角的角度为125°～145°。
其中，衬底上梯形条11和梯形槽12的周期数对吸收晶体层形成和质量起着重要的作用，若衬底上梯形条11和梯形槽12的周期数太少，则吸收晶体层的生长效果会受到影响；若衬底上梯形条11和梯形槽12的周期数过多，则吸收晶体层的缺陷密度会增加，容易漏电。优选的，衬底上梯形条11和梯形槽12的总宽度为30～70μm。更优的，衬底上梯形条11和梯形槽12的总宽度为30～50μm。
具体的，在形成保护层13之前，本发明采用ICP刻蚀工艺对衬底进行刻蚀，形成所述梯形槽12和梯形条11。
二、在梯形槽12内形成吸收晶体层；
参见图2，所述吸收晶体层20由GaN制成，其中，每个梯形槽12内设有隔离槽30，所述隔离槽30将梯形槽12内的吸收晶体层20分开成两个，即设于同一个梯形槽12内的两个吸收晶体层20不连接在一起，其中一个吸收晶体层20连接在梯形槽12一侧的梯形条11侧壁上，另一个吸收晶体层20连接在梯形槽12另一侧的梯形条11的侧壁上。
若设于同一个梯形槽12内的两个吸收晶体层20连接在一起，则衬底10上的吸收晶体层20不能形成并联连接，这样会增加吸收晶体层20的缺陷，降低探测器的电流响应度。此外，所述吸收晶体层20沿着梯形条11的侧壁形成，即所述吸收晶体层20紧贴在所述梯形条11的侧壁。
优选的，所述隔离槽30的宽度为5μm以上，即同一个梯形槽12内的两个吸收晶体层20之间的最少距离为5μm以上。
更优的，同一个梯形槽12内的两个吸收晶体层20之间的距离为6～15μm。
所述吸收晶体层的制备方法包括：
(21)采用MOCVD或HVPE法在梯形槽12内沉积形成吸收晶体层20；
其中，本发明的吸收晶体层20用于吸收紫外光和/或深紫外光。优选的，所述吸收晶体层20的材料为氮化镓。具体的，形成在梯形槽12内的吸收晶体层20为长条形结构，截面形状为倒梯形。
其中，所述吸收晶体层20要高于梯形条11，这样不仅可以增加吸收晶体层20的吸收面积，还可以更好地在吸收晶体层20上形成电极。优选的，所述吸收晶体层20比梯形条11高0.5～1.5μm。若吸收晶体层20比梯形条11高出太多，会影响电极的形成，电极会部分沉积到梯形条11上，不能形成平面结构；若吸收晶体层20比梯形条11高出太少，则会减少吸收晶体层20的吸收面积，且电极容易接触到梯形条11造成漏电短路。
更优的，所述吸收晶体层20的厚度为2～3μm。
具体的，本发明采用MOCVD沈积法在梯形槽12内形成吸收晶体层20。优选的，在压力为500～600torr，温度为900～1100℃，生长速度小于2μm/HR的条件下，形成所述吸收晶体层20。
更优的，在上述条件下，通入TMGa、NH3、N2、H2和SiH4气体，流量分别为40～60sccm、75～95L、25～40L、135～155L、25～40sccm，形成由GaN制成的吸收晶体层20。
(22)对步骤(11)形成的吸收晶体层20进行蚀刻，刻蚀至衬底的表面形成隔离槽30，以将梯形槽12内的吸收晶体层20分开成两个。
其中，采用湿法或干法蚀刻的方法来蚀刻所述吸收晶体层20。优选的，采用ICP来刻蚀所述吸收晶体层20。
由于本发明的吸收晶体层20生长在硅衬底的100晶面上，因此会产生一定的晶格失配，为了减少吸收晶体层20与硅衬底之间的晶格缺陷，所述吸收晶体层20和硅衬底之间设有缓冲层，所述缓冲层为氮化铝。即，在形成所述吸收晶体层20之前，先在梯形槽12内和梯形条11侧壁上形成所述缓冲层。其中，所述缓冲层也是采用MOCVD或HVPE沈积的方法形成。
需要说明的是，所述缓冲层的厚度对于减少吸收晶体层20和衬底之间的晶格缺陷起着重要的作用，若缓冲层的厚度过薄，则起不到缓冲的作用；若缓冲层的厚度过后，反而增加晶格缺陷。优选的，所述缓冲层的厚度为0.1～0.5μm。更优的，所述缓冲层的厚度为0.2～0.3μm。
三、形成电极；
参见图3和图4，在吸收晶体层20上形成电极40，所述电极40与所有吸收晶体层20形成导电连接。本发明的电极40优选为平面结构的电极40。其中，本发明的电极40设有两个，两个电极40是分开的，没有正负极性之分，可以正向或反向接电。吸收晶体层20吸收到紫外光之后，探测器会产生伴生电流，而吸收晶体层20的整个电阻会产生变化，可以被探测到。
具体的，采用蒸镀或溅射的方法在吸收晶体层20上沉积金属形成所述电极40。优选的，所述电极40为金属叠层结构，包括镍层和金层。优选的，所述镍层的厚度为5～20nm，所述金层的厚度为7～30nm。
其中，电极40的面积对于紫外探测器的精度和灵敏度起着重要的影响，若电极40的面积过大，则会遮挡光线，影响吸收晶体层20吸收；若电极40的面积过小，则电阻过大，从而使得紫外探测器所反馈的伴生电流被电极40内阻吃掉，造成收不到信号。优选的，电极40的面积占GaN基紫外探测器面积的30％～60％。更优的，电极40的面积占GaN基紫外探测器面积的40％～50％。
相应地，参见图4，本发明还提供了一种GaN基紫外探测器，其由上述的制作方法制得，包括衬底10、吸收晶体层20和电极40，其中，所述衬底10设有多条梯形条11和多条梯形槽，所述梯形条11和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条11的上表面设有保护层13；每个梯形槽内设有隔离槽30和两个吸收晶体层20，所述隔离槽30将两个吸收晶体层20隔开；所述电极40设置在吸收晶体层20上，并与所有吸收晶体层20形成导电连接。
本发明通过衬底上的梯形条11和梯形槽12形成阵列结构，使得形成在梯形槽12内吸收晶体层20被梯形条11隔开，从而增加吸收晶体层20的吸光面积，并减少吸收晶体层20的缺陷密度；此外，本发明通过形成梯形条11和梯形槽12的排列方式，来增强本发明GaN基紫外探测器对紫外光光致电流反应，其中，本发明GaN基紫外探测器的光敏面积为0.1～0.4mm2，响应波段为250～350nm，峰值响应度不低于500A/W，暗电流小于1.0nA(1V)。本发明实现了晶圆级纳米阵列生长，通过优化设计和生长高质量GaN基纳米线阵列，突破晶圆级纳米阵列外延工艺。
此外，本发明在吸收晶体层20上设置的电极40可以将其形成并联连接，根据公式1/R＝1/R1+1/R2+…+R10，得出内电阻R，进而转换成V＝V1+V2+…+V10，从而增强紫外光光致电流反应。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
一、提供衬底，所述衬底设有多条梯形条和多条梯形槽，所述梯形条和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条的上表面设有保护层；
二、在梯形槽内形成吸收晶体层，所述吸收晶体层由GaN制成，其中，每个梯形槽内设有隔离槽，所述隔离槽将梯形槽内的吸收晶体层分开成两个；
三、在吸收晶体层上形成电极，所述电极与所有吸收晶体层形成导电连接。
2.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述梯形槽的正面为硅衬底的100晶面，所述梯形条的侧面为硅衬底的111晶面，所述吸收晶体层在硅衬底的100晶面上形成。
3.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述梯形槽的底部宽度为13～23μm，所述梯形条和梯形槽的总宽度为30～70μm。
4.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述梯形条的侧面与所述梯形槽的正面的夹角角度为125°～145°。
5.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述吸收晶体层的制备方法包括：
(21)、采用MOCVD或HVPE法在梯形槽内沉积形成吸收晶体层；
(22)对步骤(11)形成的吸收晶体层进行蚀刻，刻蚀至衬底的表面形成所述隔离槽，以将梯形槽内的吸收晶体层分开成两个。
6.如权利要求5所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，步骤(21)中，采用MOCVD沈积法在梯形槽内形成吸收晶体层，其中，
在压力为500～600torr，温度为900～1100℃，生长速度小于2μm/HR的条件下，形成所述吸收晶体层。
7.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述隔离槽的宽度为5μm以上；
所述吸收晶体层比梯形条高0.5～1.5μm。
8.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，所述电极为金属叠层结构，包括镍层和金层；其中，所述镍层的厚度为5～20nm，所述金层的厚度为7～30nm；
所述保护层由绝缘材料制成，厚度为0.6～1μm。
9.如权利要求1所述的GaN基紫外探测器的制作方法，其特征在于，GaN基紫外探测器的光敏面积为0.1～0.4mm2，响应波段为250～350nm，峰值响应度不低于500A/W，暗电流小于1.0nA(1V)。
10.一种GaN基紫外探测器，其特征在于，其由权利要求1～9任一项所述的制作方法制得，包括衬底、吸收晶体层和电极，其中，所述衬底设有多条梯形条和多条梯形槽，所述梯形条和梯形槽交替设置形成阵列结构，所述梯形条的上表面设有保护层；每个梯形槽内设有隔离槽和两个吸收晶体层，所述隔离槽将两个吸收晶体层隔开；所述电极设置在吸收晶体层上，并与所有吸收晶体层形成导电连接。
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