CN112993077A - 一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112993077A CN112993077A CN202110342382.6A CN202110342382A CN112993077A CN 112993077 A CN112993077 A CN 112993077A CN 202110342382 A CN202110342382 A CN 202110342382A CN 112993077 A CN112993077 A CN 112993077A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- type
- doped
- photoresist
- gan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910016920 AlzGa1−z Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 36
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 22
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 15
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 9
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 9
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N Tert-Butanol Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052979 sodium sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- GRVFOGOEDUUMBP-UHFFFAOYSA-N sodium sulfide (anhydrous) Chemical compound [Na+].[Na+].[S-2] GRVFOGOEDUUMBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 6
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 4
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 4
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 4
- 229910002065 alloy metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008439 repair process Effects 0.000 claims description 3
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 16
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 8
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 15
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 4
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- -1 sulfur ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
- H01L31/1105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors the device being a bipolar phototransistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
- H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
- H01L31/1848—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P comprising nitride compounds, e.g. InGaN, InGaAlN
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1852—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising a growth substrate not being an AIIIBV compound
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法，器件包括：衬底，利用外延生长法在衬底依次生长AlN缓冲层，非故意掺杂AlxGa1‑xN组分渐变层，n型AlyGa1‑yN，轻掺杂Si的n型AlzGa1‑zN插入层，Mg掺杂的p型AlkGa1‑kN，AlN阻挡层，非故意掺杂AlLGa1‑LN层，n型AlmGa1‑mN组分渐变层，Si掺杂n型AlnGa1‑nN作为集电极以及欧姆接触电极的引出层，通过电子束蒸镀设备以及合金热处理工艺形成的n型欧姆接触电极。本发明通过二次干法刻蚀，截断了表面漏电通道，抑制了边缘电场，提高了器件的击穿电压，通过表面湿法处理，使得器件的光电流显著增加，减少了暗电流，提高了器件的光增益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
目前，商用紫外光电探测器多采用Si基固态探测器或光电倍增管。由于Si基器件会同时对可见光、红外波段进行响应，因此需要额外附加紫外带通滤波器以抑制由太阳光和其它照明所带来的背景噪声。这不仅降低了探测器的光响应度,也增加了成本。而以GaN基材料为代表的宽禁带半导体由于具有较宽的禁带宽度，可以对紫外光进行本征响应，毋须额外在探测器外附加滤波片。除此之外，GaN基材料还具有直接带隙、对紫外光子敏感、紫外吸收量子效率高、电子饱和迁移速度大、化学稳定性好等优点。因此，GaN基材料是制备具有高光增益、低暗电流特性的紫外光电探测器的理想材料。
然而，紫外光信号一般十分微弱，因此对于光电探测器而言，要求有较高的内部增益易实现微弱光探测。目前而言，在各类型GaN/AlGaN基光电探测器中，能实现高内部光增益的器件结构主要雪崩光电二极管(Avalanche photodiode,APD)和异质结光电晶体管(Heterojunction Phototransistor,HPT)两种。APD探测器需要在光电二极管的电极两端加上较大的工作偏压以产生雪崩效应，这导致了工作点不易控制，噪声大，漏电流高。HPT主要是利用光生空穴在基区的累积效应，诱导发射区的大量电子渡越基区流向集电极，产生比光生电子-空穴流大得多的集电极光电流，从而实现高内部增益。但事实上，HPT器件相比于APD探测器也有所不足。由于雪崩光电二极管是在高偏压下工作，电子的迁移速率较高，器件响应速度较快；而HPT是在低偏压下工作的，需要先依靠光生空穴在基区的积累以降低发射结势垒以实现电子的渡越，故而相较于APD探测器，其响应速度不高。因此一种结合了APD与HPT器件优点的器件应运而生，它既具有倍增层，具有雪崩增益，同时也采用异质结结构，具有光诱导增益，理论上它可以在较低偏压下，具有较高的响应速度和光增益。结合二者的特点，这种器件命名为雪崩异质结光电晶体管(Avalanche HeterojunctionPhototransistor,AHPT)，AHPT具有代替上述两种光电探测器的潜力，但仍面临着一些需要解决的问题。
目前的准垂直台型结构GaN基紫外探测器大多需要使用干法刻蚀手段(如，电感耦合等离子体刻蚀Inductively Coupled Plasma etching，ICP)技术在材料上刻蚀出台面，而在这种高能离子物理轰击之后，器件表面尤其是器件的侧壁部分会留下大量以氮空位、悬挂键为代表的表面缺陷，以及杂质离子，导致形成表面反型层。表面反型层会改变器件内部电场的大小和形状，形成表面漏电沟道。这些漏电沟道会使器件表面发生能带弯曲，增大了器件边缘的局部电场，使得载流子在器件边缘具有更大的隧穿和复合几率，形成较大的隧穿电流和复合电流，致使器件暗电流增大，降低器件的光增益，甚至会引起器件在较低偏压下提前击穿，严重影响探测效率和精确性。通常情况下我们会在半导体加工工艺流程中通过干法刻蚀后处理的方式来修复一部分的刻蚀损伤，但实际上后处理后，器件表面仍然存在大量的表面缺陷，且器件的边缘电场仍然很大。
现有技术中，公开号为CN106960885B中国发明专利，于2018年7月6日公开了一种PIN结构紫外光电探测器，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN成核层、Alx1Ga1-x1N缓冲层、n型Alx2Ga1-x2N层、非掺杂i型ZnO/TiO2超晶格吸收层、p型Alx3Ga1-x3N层、p型GaN层，在n型Alx2Ga1-x2N层上引出的n型欧姆电极，在p型GaN层上引出的p型欧姆电极，所述非掺杂i型ZnO/TiO2超晶格吸收层中，超晶格的重复周期数为1～10个。该方案没有克服干法刻蚀损伤的缺陷。
发明内容
现有技术AHPT器件由于干法刻蚀损伤，在表面有很高密度的表面缺陷和杂质，由此形成的高边缘电场容易导致器件提前击穿；同时高密度的表面态也会导致器件的暗电流过高，降低器件光增益，影响器件信噪比。本发明为克服上述缺陷，提供一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提供了一种GaN基紫外光电探测器，包括：衬底，利用外延生长法在衬底依次生长AlN缓冲层，非故意掺杂AlxGa1-xN组分渐变层，n型AlyGa1-yN，轻掺杂Si的n型AlzGa1-zN插入层，Mg掺杂的p型AlkGa1-kN，AlN阻挡层，非故意掺杂AlLGa1-LN层，n型AlmGa1-mN组分渐变层，Si掺杂n型AlnGa1-nN作为集电极以及欧姆接触电极的引出层，通过电子束蒸镀设备以及合金热处理工艺形成的n型欧姆接触电极。
进一步的，AlN缓冲层的厚度为200～1000nm。
进一步的，非故意掺杂AlxGa1-xN组分渐变层厚度为20～150nm，其中Al组分x由1渐变到次一层AlyGa1-yN层的组分y。
进一步的，n型AlyGa1-yN的厚度为300～800nm，轻掺杂Si的n型AlzGa1-zN插入层厚度为10nm。
进一步的，Mg掺杂的p型AlkGa1-kN的厚度为100～150nm。
进一步的，AlN阻挡层的厚度为1～2nm，非故意掺杂AlLGa1-LN层的厚度为100～300nm，n型AlmGa1-mN组分渐变层厚度为10～50nm，Si掺杂n型AlnGa1-nN作为集电极以及欧姆接触电极的引出层，其厚度为100～200nm。
进一步的，n型欧姆接触电极是通过电子束及热蒸发设备，将Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Pt、Mo)/Au、Cr/Pd/Au等金属层组合沉积在n型AlyGa1-yN发射极层和n型AlnGa1-nN层集电极表面，并通过热处理合金得到的。
本发明第二方面提供了一种GaN基紫外光电探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅰ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S2：利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至n型AlyGa1-yN，形成圆形台面器件结构，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S3：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅱ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S4：利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至AlN阻挡层上方10～50nm的位置，此次刻蚀形成的圆形台面半径比步骤S2的圆形台面半径小0.3～3μm，此次刻蚀主要的目的是为了抑制边缘电场，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S5：使用快速热退火(RTA)技术对干法刻蚀后的AHPT外延晶片于高纯氮气环境下进行700～860℃高温退火以修复干法刻蚀损伤；
S6：对退火后的AHPT外延晶片进行两步湿法处理；
S7：利用光刻和电子束及热蒸发设备分别在n型AlyGa1-yN发射极层以及n型AlnGa1- nN集电极层表面蒸镀合金金属层形成环形金属接触；
S8：将步骤S6处理后的晶片放置于高纯氮气保护的高温热退火炉中，对环形金属层进行热退火合金处理，温度为700～930℃，时间为30～90s，形成n型欧姆接触电极。
进一步的，步骤S6所述的对退火后的AHPT外延晶片进行两步湿法处理，具体包括：
S601：将晶片放置于盐酸与去离子水配比1:1而成的溶液中浸泡10分钟，随后取出用去离子水冲洗；
S602：将晶片其置于电子纯硫化钠与叔丁醇1:1混合溶液中，50～80℃水浴加热10～15分钟，随后取出晶片，使用去离子水清洗。
进一步的，所述合金为Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Ni、Pt)/Au。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过二次干法刻蚀，截断了表面漏电通道，抑制了边缘电场，提高了器件的击穿电压，通过表面湿法处理，使得器件的光电流显著增加，减少了暗电流，提高了器件的光增益。
附图说明
图1为本发明中紫外AHPT光电探测器件初始结构图。
图2为本发明边缘电场抑制原理示意图。
图3为本发明中器件二次干法刻蚀后的结构示意图。
图4为本发明二次刻蚀前后边缘器件的击穿电压对比图。
图5为本发明湿法处理前后的光暗电流对比图。
图6为本发明湿法处理前后的欧姆接触TLM对比图。
图7为本发明湿法处理前后的光增益对比图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，本发明第一方面提供了一种GaN基紫外光电探测器，包括：衬底，利用外延生长法在衬底(1)依次生长200～1000nm厚的AlN缓冲层(2)，作为AlGaN的生长基础，同时缓解AlGaN层与蓝宝石衬底之间的晶格失配；紧接着在缓冲层上外延生长20～150nm厚的非故意掺杂AlxGa1-xN组分渐变层(3)，Al组分x由1渐变到次一层AlyGa1-yN层的组分y，以减小发射极与缓冲层之间的晶格失配，提高发射极外延材料的生长质量；接着生长了300～800nm的n型AlyGa1-yN(4)(电子浓度约为1.0～5.0×1018cm-3)作为器件的发射极，Al组分y≤x；接着又生长了10nm轻掺杂Si的n型AlzGa1-zN(电子浓度1～2×1017cm-3,Al组分z)插入层(5)，用来减小异质结界面的复合电流；之后又生长了100～150nm厚的Mg掺杂的p型AlkGa1- kN(6)(空穴浓度约为3×1017～4×1018cm-3，Al组分k≤z+0.1)作为器件的基区；接着采用较低温度生长1～2nm的AlN阻挡层(7)，抑制Mg记忆效应以及向上扩散的影响；之后生长了100～300nm厚的非故意掺杂AlLGa1-LN层(8)作为载流子产生雪崩增益的倍增层和入射光的吸收层；然后是10～50nm厚的n型AlmGa1-mN组分渐变层(9)(电子浓度约为3×1017～1×1018cm-3，Al组分m从L渐变到次一层AlnGa1-nN层的Al组分n)用来减小发射极与下层材料之间的晶格失配，提高晶体质量；最后生长的是100～200nm厚的Si掺杂n型AlnGa1-nN(电子浓度约为3×1017～1×1018cm-3，Al组分n≥k)作为集电极以及欧姆接触电极的引出层(10)。
进一步的，n型欧姆接触电极(11)是通过电子束及热蒸发设备，将Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Pt、Mo)/Au、Cr/Pd/Au等金属层组合沉积在n型AlyGa1-yN发射极层和n型AlnGa1-nN层集电极表面，并通过热处理合金得到的。
需要说明的是，上述AlGaN层Al组分x、y、z、k、L、m、n的取值范围为0～1之间。
针对AHPT的边缘电场和表面缺陷问题，本发明还提出了一种GaN基紫外探测器的制备方法。其中，为了抑制边缘电场，本发明通过额外引入一次干法刻蚀的方法，对器件结构进行改善，以对边缘电场进行抑制；而针对干法刻蚀引入的表面缺陷和刻蚀损伤，提出采用一种基于硫化物的两步湿法处理法对器件表面进行钝化，以提高器件性能。具体包括以下步骤：
S1：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅰ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S2：利用干法刻蚀(如电感耦合等离子体反应离子刻蚀Inductively-coupled-plasma Reactive ion etching，ICP-RIE)技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至n型AlyGa1-yN，形成圆形台面器件结构，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S3：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅱ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S4：利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至AlN阻挡层上方10～50nm的位置，此次刻蚀形成的圆形台面半径比步骤S2的圆形台面半径小0.3～3μm，此次刻蚀主要的目的是为了抑制边缘电场，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S5：使用快速热退火(RTA)技术对干法刻蚀后的AHPT外延晶片于高纯氮气环境下进行700～860℃高温退火以修复干法刻蚀损伤；
S6：对退火后的AHPT外延晶片进行两步湿法处理；具体包括：
S601：将晶片放置于盐酸与去离子水配比1:1而成的溶液中浸泡10分钟，随后取出用去离子水冲洗；此步的目的主要是通过盐酸来去除GaN基晶片表面的本征氧化层，通常氧化层以GaO的形式出现，使用盐酸去除氧原子后便于后续生成更加稳定的硫化物钝化层。
S602：将晶片其置于电子纯硫化钠与叔丁醇1:1混合溶液中，50～80℃水浴加热10～15分钟，随后取出晶片，使用去离子水清洗。通过硫化物等化学试剂对器件表面进行处理的本质是通过溶剂中的S2-离子与Ga离子反应生成GaS钝化膜。
硫化钠钝化的主要化学机制如下：
碱性溶液：硫化钠溶于水之后发生水解反应
有机溶剂：硫化钠溶液与TBA混合液，主要含硫物质为S2-
S7：利用光刻和电子束及热蒸发设备分别在n型AlyGa1-yN发射极层以及n型AlnGa1- nN集电极层表面蒸镀合金金属层形成环形金属接触；所述合金为Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Ni、Pt)/Au。
S8：将步骤S6处理后的晶片放置于高纯氮气保护的高温热退火炉中，对环形金属层进行热退火合金处理，温度为700～930℃，时间为30～90s，形成n型欧姆接触电极。
实施例2
图1：器件的初始结构图，利用外延生长法，依次从(0001)蓝宝石衬底(1)往上分别生长500nm厚AlN缓冲层(2)，20nm非故意掺杂AlxGa1-xN(x＝1～0.5)组分缓变层(3)，300nm厚的Si掺杂n型Al0.5Ga0.5N层(4)，10nm厚的Si轻掺杂n型Al0.5Ga0.5N层(5)，120nm厚的p型Al0.42Ga0.58N层(6)，1nm厚的AlN阻挡层(7)，160nm厚非故意掺杂Al0.42Ga0.58N吸收倍增层(8)，20nm厚的n型AlmGa1-mN(m＝0.42～0.5)组分缓变层(9)，100nm厚的n型Al0.5Ga0.5N窗口层(10)，以及通过电子束蒸镀设备以及合金热处理工艺形成的n型发射极和集电极欧姆接触电极(11)。
图2：边缘电场降低的机制改善原理如图所示，在增加一次刻蚀后，由于集电区直径的减小，器件内部的电场和载流子则将更加集中在中央，进而减弱了器件边缘的电场强度，抑制了器件的提前击穿。
图3：器件经过二次刻蚀后的结构图，刻蚀深度至非故意掺杂Al0.42Ga0.58N吸收倍增层(8)，刻蚀后的台面半径比初次刻蚀台面半径小0.3～3μm。
图4：由器件的击穿电压对比图我们可以看出，未经过二次刻蚀的器件在59.5V便提前发生了硬击穿无法再次使用，而经过二次刻蚀后，由于表面漏电通道被刻蚀后的台面截断，边缘电场被较好地抑制了，击穿电压也提高到了106V。
图5：图5为在集电极加正电压后得到的集电极电流，由图我们可以看出，经过Na2S钝化处理后的光暗电流比明显大于未经处理的样品，未经处理的样品光暗电流在40V左右就已经重合，光电流和暗电流在40V时均大约为4.4×10-4A。而经过Na2S钝化后光暗电流在60V仍有约一个量级的区别。分析处理后的器件具有更高的光电流的原因可能是Na2S中的硫离子和氮空位结合生成的GaS钝化膜减小了器件表面的缺陷凹坑的密度，入射光受到的折射和散射有所减少，因此光电流有了显著提升。而暗电流有所降低的原因是有两点，一是HCl处理去除了部分了器件表面的本征氧化层，二是GaS硫化物填充了器件表面的漏电通道，减少了器件表面态密度，因此器件在表面处的漏电流和复合电流减少，器件的暗电流大大降低。
图6:通过发射区台面的TLM(传输线模型)欧姆测试区域(间距为80μm两个金属电极的I-V特性曲线)，我们得到了湿法处理后与未处理样品的欧姆接触特性图。由图6我们可以看出，未处理样品的欧姆接触I-V特性曲线斜率较小，这说明金属-半导体的接触电阻较大，这是由于未处理样品的台面区域受到等离子体的直接轰击，表面缺陷较多并且较为粗糙。而经过硫化钠湿法处理后曲线的斜率大大提高，说明接触电阻减小，n型欧姆接触得到了一定的改善。
图7：我们通常会通过光增益特性来表征探测器对光进行放大的能力，定性来看光增益为光生电子空穴对的数目和入射光子数的比值。其表达式为
由光增益对比图我们可以看出，未经过钝化的器件光增益最高仅为14，且电压趋近40时由于光暗电流基本重合，光增益趋近于0，这说明器件对光信号的放大能力受到了严重影响。
而钝化后的器件在电压为50V时光增益达2.4×103，比未处理样品提高了两个数量级，这说明探测器对微弱光探测的能力很强，有出色的光信号放大能力。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，包括：衬底(1)，利用外延生长法在衬底依次生长AlN缓冲层(2)，非故意掺杂AlxGa1-xN组分渐变层(3)，n型AlyGa1-yN(4)，轻掺杂Si的n型AlzGa1-zN插入层(5)，Mg掺杂的p型AlkGa1-kN(6)，AlN阻挡层(7)，非故意掺杂AlLGa1-LN层(8)，n型AlmGa1-mN组分渐变层(9)，Si掺杂n型AlnGa1-nN作为集电极以及欧姆接触电极的引出层(10)，通过电子束蒸镀设备以及合金热处理工艺形成的n型欧姆接触电极(11)。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，AlN缓冲层(2)的厚度为200～1000nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，非故意掺杂AlxGa1-xN组分渐变层(3)厚度为20～150nm，其中Al组分x由1渐变到次一层AlyGa1-yN层的组分y。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，n型AlyGa1-yN(4)的厚度为300～800nm，轻掺杂Si的n型AlzGa1-zN插入层(5)厚度为10nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，Mg掺杂的p型AlkGa1- kN(6)的厚度为100～150nm。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，AlN阻挡层(7)的厚度为1～2nm，非故意掺杂AlLGa1-LN层(8)的厚度为100～300nm，n型AlmGa1-mN组分渐变层(9)厚度为10～50nm，Si掺杂n型AlnGa1-nN作为集电极以及欧姆接触电极的引出层(10)厚度为100～200nm。
7.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器，其特征在于，n型欧姆接触电极是通过电子束及热蒸发设备，将Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Pt、Mo)/Au、Cr/Pd/Au等金属层组合沉积在n型AlyGa1-yN发射极层和n型AlnGa1-nN层集电极表面，并通过热处理合金得到欧姆电极接触。
8.一种GaN基紫外光电探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅰ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S2：利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至n型AlyGa1-yN，形成圆形台面器件结构，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S3：在顶层n型AlnGa1-nN集电极层上旋涂一层光刻胶，采用具有特定图形结构的光刻版Ⅱ，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlnGa1-nN层，其余未显影的光刻胶层作为掩膜；
S4：利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的部分，刻蚀深度至AlN阻挡层上方10～50nm的位置，此次刻蚀形成的圆形台面半径比步骤S2的圆形台面半径小0.3～3μm，其后用去胶有机溶液去除光刻胶，并在去离子水中冲洗干净；
S5：使用快速热退火技术对干法刻蚀后的AHPT外延晶片于高纯氮气环境下进行700～860℃高温退火以修复干法刻蚀损伤；
S6：对退火后的AHPT外延晶片进行两步湿法处理；
S7：利用光刻和电子束及热蒸发设备分别在n型AlyGa1-yN发射极层以及n型AlnGa1-nN集电极层表面蒸镀合金金属层形成环形金属接触；
S8：将步骤S6处理后的晶片放置于高纯氮气保护的高温热退火炉中，对环形金属层进行热退火合金处理，温度为700～930℃，时间为30～90s，形成n型欧姆接触电极。
9.根据权利要求2所述的一种GaN基紫外光电探测器制备方法，其特征在于，步骤S6所述的对退火后的AHPT外延晶片进行两步湿法处理，具体包括：
S601：将晶片放置于盐酸与去离子水配比1:1而成的溶液中浸泡10分钟，随后取出用去离子水冲洗；
S602：将晶片其置于电子纯硫化钠与叔丁醇1:1混合溶液中，50～80℃水浴加热10～15分钟，随后取出晶片，使用去离子水清洗。
10.根据权利要求1所述的一种GaN基紫外光电探测器制备方法，其特征在于，所述合金为Ti(或V)/Al/Ni(或V、Pd、Ni、Pt)/Au。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110342382.6A CN112993077B (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110342382.6A CN112993077B (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112993077A true CN112993077A (zh) | 2021-06-18 |
| CN112993077B CN112993077B (zh) | 2022-09-20 |
Family
ID=76338473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110342382.6A Active CN112993077B (zh) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112993077B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040135161A1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-07-15 | Taylor Geoff W. | P-type quantum-well-base bipolar transistor device employing interdigitated base and emitter formed with a capping layer |
| CN103165727A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-19 | 中国科学院半导体研究所 | N型注入的红外至可见波长上转换装置及其制备方法 |
| CN104282793A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-14 | 中山大学 | 一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN106711253A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-24 | 江苏华功第三代半导体产业技术研究院有限公司 | 一种iii族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
| CN107863413A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-03-30 | 中山大学 | 一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法 |
-
2021
- 2021-03-30 CN CN202110342382.6A patent/CN112993077B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040135161A1 (en) * | 2003-01-13 | 2004-07-15 | Taylor Geoff W. | P-type quantum-well-base bipolar transistor device employing interdigitated base and emitter formed with a capping layer |
| CN103165727A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-19 | 中国科学院半导体研究所 | N型注入的红外至可见波长上转换装置及其制备方法 |
| CN104282793A (zh) * | 2014-09-30 | 2015-01-14 | 中山大学 | 一种三台面p-π-n结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN106711253A (zh) * | 2016-12-14 | 2017-05-24 | 江苏华功第三代半导体产业技术研究院有限公司 | 一种iii族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
| CN107863413A (zh) * | 2017-11-02 | 2018-03-30 | 中山大学 | 一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SHAOJI TANG 等: ""Improved performance of ultraviolet AlGaN/GaN npn HPTs by a thin lightly-doped n-AlGaN insertion layer"", 《AIP ADVANCES》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112993077B (zh) | 2022-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107863413B (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法 | |
| CN102800717B (zh) | 一种pin结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| US7187013B2 (en) | Avalanche photodiode | |
| CN106711253B (zh) | 一种iii族氮化物半导体雪崩光电二极管探测器 | |
| CN109494275B (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器及其制作方法 | |
| CN111403505B (zh) | 一种双极型可见光探测器及其制备方法 | |
| CN110047955B (zh) | 一种AlGaN紫外雪崩光电二极管探测器及其制备方法 | |
| CN110660882B (zh) | 一种栅控PIN结构GaN紫外探测器及其制备方法 | |
| KR20100075711A (ko) | 자외선 수광 소자 | |
| CN109119508B (zh) | 一种背入射日盲紫外探测器及其制备方法 | |
| CN101872798A (zh) | 一种紫外红外双色探测器及制作方法 | |
| CN112038448B (zh) | 一种AlGaN单极载流子日盲紫外探测器及其制备方法 | |
| CN109285914B (zh) | 一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法 | |
| CN109980040A (zh) | 一种氧化镓mis结构紫外探测器 | |
| CN105655437A (zh) | 一种紫外雪崩光电探测器 | |
| CN111106204B (zh) | 基于ⅲ-ⅴ族半导体高电子迁移率晶体管的日盲紫外探测器及制作方法 | |
| Li et al. | InGaN-based MSM visible light photodiodes with recessed anode | |
| Wen et al. | Significant performance improvement of AlGaN solar-blind heterojunction phototransistors by using Na2S solution based surface treatment | |
| CN112993077B (zh) | 一种GaN基紫外光电探测器及其制备方法 | |
| CN116705876A (zh) | 一种混维异质结型光电探测器及其制备方法 | |
| CN114678439B (zh) | 一种对称叉指结构的2deg紫外探测器及制备方法 | |
| CN209675319U (zh) | 一种氧化镓mis结构紫外探测器 | |
| CN111524973A (zh) | 叉指状p-GaN栅结构HEMT型紫外探测器及其制备方法 | |
| CN110911518B (zh) | 一种iii族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN214336725U (zh) | 扩展波长的InGaAs红外探测器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |