CN113113506B - 一种iii族氮化物增益型光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法，包括衬底外延层和内嵌电极，所述外延层包括自衬底向上沿外延生长方向依次为氮化物缓冲层、n型掺杂的氮化物欧姆接触层、n型掺杂氮化物组分过渡层、非掺杂氮化物薄插入层、具有p型电导的氮化物层、非故意掺杂多层InxGa1‑xN与InyGa1‑yN交替生长的光吸收层和n型掺杂的氮化物欧姆接触层，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层上设有下凹槽，所述非故意掺杂多层InxGa1‑xN与InyGa1‑yN交替生长的光吸收层上设有上凹槽，所述内嵌电极包括上内嵌电极金属叠层和下内嵌电极金属叠层。本发明可获得厚度满足光吸收要求且晶体质量更好的InGaN光吸收层，且可获得高光响应度、高光电增益、以及低工作电压。本发明可广泛应用在半导体探测器技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及半导体探测器技术领域，尤其涉及一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法。
背景技术
以GaN基材料为代表的III族氮化物半导体(包括其二元化合物InN、GaN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN)具有禁带宽度大、直接带隙、光吸收系数大、电子迁移率高、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高、介电常数较小、耐高温、抗辐射性强、化学稳定性高等一系列优点，因而非常适合于制作在高性能的光电探测器。其中三元化合物InGaN可以通过改变铟(In)的组分得到0.7～3.4eV之间的任意禁带宽度，对应的吸收波长为1771～365nm，因此在近中红外、可见光和紫外的光电探测领域有巨大的应用前景。
对于以InGaN为光吸收层的光电探测器而言，主要的器件结构形式为光电导型、肖特基势垒型、金属-绝缘体-半导体(MIS)和p-i-n结型，这一类型的器件虽然也具有较好的探测性能，但是不具备光电增益。而具有高光电增益的器件则可以探测微弱信号，提高探测器的探测率。目前，具有高光电增益的几种典型探测器件为光电导器件、雪崩光电二极管和光电晶体管。其中光电导探测器暗电流高、光响应速度慢，应用范围和前景都有较大的局限性；而雪崩光电二极管对半导体材料质量要求甚高。当前，InGaN外延材料面临的相分离、位错密度较高、背景载流子浓度等问题，难以满足制作雪崩光电探测器对外延材料的要求。因此，工作电压低、暗电流小的双极型NPN光电晶体管是高增益InGaN光敏探测器的一个优先选择。
但是，以InGaN为光吸收层的光电晶体管却面临着外延材料特性中的一些障碍。InGaN外延材料存在着相分离、位错密度大和背景载流子浓度高等目前的技术尚未克服的问题。其中，位错主要由异质外延中衬底、下层缓冲层和上层InGaN层之间的晶格和热失配导致，是器件漏电和可靠性降低的主要因素之一；相分离会导致局域态，影响光生载流子的迁移。这些问题随InGaN层变厚而愈加严重，由此限制了InGaN光吸收层的生长厚度，不仅会导致探测器的光谱响应截止边不陡峭，而且会降低光生电子-空穴迁移。而在NPN型光电晶体管中，其光电增益的产生机理是在集电极与基极(BC结)间的耗尽层内由光入射信号产生电子-空穴对，空穴向基区迁移，电子向加正电的集电极迁移。空穴在基区累积，引起基极和发射极(BE结)的势垒降低，从而有更多的电子从发射极注入到基区，并在渡越基区后进入集电极，被集电极一端的正电极所收集。如果光生空穴不能有效迁移至基区，将无法产生高光电增益。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法，用于解决以InGaN为光吸收层的双极型光电晶体管探测器中InGaN光吸收层随厚度增加而晶体质量劣化，空穴迁移能力差而导致光电增益低的问题。
本发明所采用的第一技术方案是：一种III族氮化物增益型光电探测器，包括衬底(101)、外延层和内嵌电极，所述外延层包括自衬底(101)向上沿外延生长方向依次为氮化物缓冲层(102)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、非掺杂氮化物薄插入层(105)、具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)和n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)上设有下凹槽(201)，所述非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)上设有上凹槽(203)，所述内嵌电极包括上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)。
进一步，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)的厚度为0.2～4μm，层中的电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3；
进一步，所述n型掺杂氮化物组分过渡层(104)的厚度为20～200nm，电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3，所述非掺杂氮化物薄插入层(105)的厚度为3～15nm，电子浓度不超过2×1017cm-3。
进一步，所述具有p型电导的氮化物层(106)的厚度为30～300nm，层中的空穴浓度为1×1017cm-3～5×1018cm-3。
进一步，所述非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)能吸收的波长为1771～365nm，总厚度为50～300nm，非故意掺杂InxGa1-xN厚度为1～10nm，非故意掺杂InyGa1-yN厚度为1～9nm，其中In组分x与y满足0≤x+0.1≤y≤1的关系。
进一步，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)厚度为30～300nm，层中的电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3。
进一步，所述上凹槽(203)的底部按照从上到下的刻蚀方向不超过非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)的2/3处。
进一步，各层氮化物的禁带宽度不小于非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)中InxGa1-yN的禁带宽度。
进一步，所述上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)分别嵌于上凹槽(203)和下凹槽(201)内，与凹槽的四壁和底部接触，并与n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)和n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)通过合金处理形成欧姆接触。
本发明所采用的第二技术方案是：一种III族氮化物增益型光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底(101)上依次生长缓冲层(102)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、n型轻掺杂或非掺杂氮化物薄插入层(105)、具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，并用有机溶液清洗去除有机污染物，用无机酸液清洗去除无机污染物，得到晶圆；
S2、基于半导体光刻技术将台阶的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，形成台阶结构，得到台面(202)；
S3、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S4、基于半导体光刻技术将下凹槽(201)和上凹槽(203)的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，得到带有下凹槽(201)和上凹槽(203)的晶圆；
S5、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S6、将带有凹槽的晶圆，使用半导体光刻技术将电极的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用电子束蒸发或热蒸发完成金属叠层的沉积，之后进行剥离工艺，此后，将带有金属叠层的晶圆于氮气或高真空氛围内快速热退火，完成电极制备，得到光电探测器。
本发明的有益效果是：本发明的一种III族氮化物增益型光电探测器，制作工艺简单，可获得厚度满足要求且结晶质量好的InGaN光吸收层，同时改善了因光吸收层的叠层结构而产生对光生电子-空穴输运的影响，从而提高了器件光电增益。
附图说明
图1是本发明一种III族氮化物增益型光电探测器截面图；
图2是本发明一种III族氮化物增益型光电探测器俯视图；
图3是本发明一种III族氮化物增益型光电探测器的制备方法的步骤流程图；
图4是本发明具体实施实例1的截面图；
图5是本发明具体实施实例1的俯视图。
附图标记：101、衬底；102、氮化物缓冲层；103、n型掺杂的氮化物欧姆接触层；104、n型掺杂氮化物组分过渡层；105、非掺杂氮化物薄插入层；106、具有p型电导的氮化物层；107、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层；108、n型掺杂的氮化物欧姆接触层；109、上内嵌电极金属叠层；110、下内嵌电极金属叠层；201、下凹槽；202、台面；203、下凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1和图2，本发明提供了一种III族氮化物增益型光电探测器，包括衬底(101)、外延层和内嵌电极，所述外延层包括自衬底(101)向上沿外延生长方向依次为氮化物缓冲层(102)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、非掺杂氮化物薄插入层(105)、具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)和n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)上设有下凹槽(201)，所述非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)上设有上凹槽(203)，所述内嵌电极包括上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)。
具体地，各层的氮化物均为III族氮化物，所述III族氮化物包括二元化合物GaN，AlN和InN，以及三元与四元化合物AlGaN、InGaN、AlInN和AlInGaN，所述非掺杂氮化物薄插入层(105)还可以是n型轻掺杂氮化物薄插入层，所述上内嵌电极金属叠层(109)设于上凹槽(203)内，所述下内嵌电极金属叠层(110)设于下凹槽(201)内。
进一步作为优选实施例，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)的厚度为0.2～4μm，层中的电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3。
进一步作为优选实施例，所述n型掺杂氮化物组分过渡层(104)的厚度为20～200nm，电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3，所述非掺杂氮化物薄插入层(105)的厚度为3～15nm，电子浓度不超过2×1017cm-3。
进一步作为优选实施例，所述具有p型电导的氮化物层(106)的厚度为30～300nm，层中的空穴浓度为1×1017cm-3～5×1018cm-3。
进一步作为优选实施例，所述非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)能吸收的波长为1771～365nm，总厚度为50～300nm，非故意掺杂InxGa1-xN厚度为1～10nm，非故意掺杂InyGa1-yN厚度为1～9nm，其中In组分x与y满足0≤x+0.1≤y≤1的关系。
进一步作为优选实施例，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)厚度为30～300nm，层中的电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3。
进一步作为优选实施例，所述上凹槽(203)的底部按照从上到下的刻蚀方向不超过非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)的2/3处。
进一步作为优选实施例，各层氮化物的禁带宽度不小于非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)中InxGa1-yN的禁带宽度。
进一步作为优选实施例，所述上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)分别嵌于上凹槽(203)和下凹槽(201)内，与凹槽的四壁和底部接触，并与n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)和n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)通过合金处理形成欧姆接触。
本发明提出的一种III族氮化物增益型光电探测器的主要特点是：(1)双极型光电晶体管中采用非故意掺杂的较低In组分IneGa1-eN层与较高In组分的InyGa1-yN交替生长的光吸收层，总厚度为50～300nm，所述非故意掺杂InxGa1-xN厚度为1～10nm，所述非故意掺杂InyGa1-yN厚度为1～9nm，x与y满足0≤x+0.1≤y≤1的关系。由于低In组分InGaN的结晶质量相对较好，因此增加了InxGa1-xN/InyGa1-yN交叠光吸收层厚度不会使材料质量明显劣化；(2)在这种准垂直台面结构的光电晶体管探测器的台面上和台面下刻蚀了一定深度和宽度的凹槽，减弱了因光吸收层的叠层结构中由于In组分不同能带的带阶所带来的的势垒对光生电子、空穴输运的阻碍，并且减小了空穴输运到基区的距离，增强内嵌电极下方BC结耗尽层中的电场强度，提高光生电子-空穴的电极收集效率，特别是增强空穴向基区的输运，增加光生空穴在基区的累积，从而提高器件光响应电流与光电增益。
参照图4和图5，本实施实例1为一种III族氮化物增益型光电探测器，其外延结构以金属有机化学气相沉积法(MOCVD法)制备，以(0001)面蓝宝石为衬底，在蓝宝石衬底(301)上依次生长3μm的GaN缓冲层(302)，厚度为1μm的、Si掺杂浓度为3×1018cm-3的n型GaN欧姆接触层(303)，掺杂浓度为2×1018cm-3的Al组分线性渐增的AlzGa1-zN(z＝0～0.2)组分过渡层(304)，10nm厚的非故意掺杂Al0.2Ga0.8N薄插入层(305)，100nm厚的非故意掺杂Al组分渐减的AlmGa1-mN(m＝0.1～0)极化掺杂p型基区(306)，其中的空穴浓度约为3×1017cm-3,之后交替生长20对非故意掺杂GaN和In0.18Ga0.82N的叠层光吸收层(307)，其中GaN层厚度为4nm，In0.18Ga0.82N厚度为3nm，最后生长100nm厚的n型掺杂GaN欧姆接触层(308)，其Si掺杂浓度为5×1017cm-3。刻蚀的台面(402)的高度为650nm，之后刻蚀了175nm凹槽(401)和(403)，最后在所刻凹槽内沉积总厚度为175nm的金属形成欧姆接触电极(309)和(310)。
参照图3，应用于上述一种III族氮化物增益型光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底(101)上依次生长缓冲层(102)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、n型轻掺杂或非掺杂氮化物薄插入层(105)、p型掺杂或具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)、n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，并用有机溶液清洗去除有机污染物，用无机酸液清洗去除无机污染物，得到晶圆；
S2、基于半导体光刻技术将台阶的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，形成台阶结构，得到台面(202)；
具体地，所述台面(202)应满足自上而下刻蚀至n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)，光刻胶遮住的地方为要保留的台阶位置，无光刻胶的地方将被刻蚀。
S3、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S4、基于半导体光刻技术将下凹槽(201)和上凹槽(203)的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，得到带有下凹槽(201)和上凹槽(203)的晶圆；
另外，第二种方法：使用半导体光刻技术将凹槽(201)和(203)的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，这时光刻胶遮住的地方为要刻蚀出凹槽的位置，无光刻胶的地方将被保留，再在上面沉积一层保护层后去除光刻胶，这时保护层遮住的地方为要保留的位置，无保护层的地方将被刻蚀出凹槽，利用干法或湿法刻蚀法进行预设深度的刻蚀后，去除保护层，所述保护层不会被刻蚀或被刻蚀速率慢于晶圆被刻蚀速率，这样就将凹槽图案转移到了晶圆上，得到下凹槽(201)和上凹槽(203)，接着重复S3步骤。
S5、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S6、将带有凹槽的晶圆，使用半导体光刻技术将电极的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用电子束蒸发或热蒸发完成金属叠层的沉积，之后进行剥离工艺，此后，将带有金属叠层的晶圆于氮气或高真空氛围内快速热退火，完成电极制备，得到光电探测器。
具体地，光刻胶遮住的地方为要刻蚀出凹槽的位置，无光刻胶的地方将被保留，再在上面沉积一层保护层后去除光刻胶，这时保护层遮住的地方为要保留的位置，无保护层的地方将被刻蚀出凹槽。
另外，第二种方法：所述S4b步骤得到的带有凹槽的晶圆，利用电子束蒸发或热蒸发或溅射完成金属叠层的沉积，之后用保护层去除液去除保护层，所述保护层去除液不影响或轻微影响晶圆，此后，金属叠层部分或全部落入凹槽内，将带有金属叠层的晶圆于氮气或高真空氛围内快速热退火，完成电极制备。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，包括衬底(101)、外延层和内嵌电极，所述外延层包括自衬底(101)向上沿外延生长方向依次为氮化物缓冲层(102)、第一n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、非掺杂氮化物薄插入层(105)、具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN
与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)和第二n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，所述第一n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)上设有下凹槽(201)，所述非故意掺杂多层InxGa1- xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)上设有上凹槽(203)，所述内嵌电极包括上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)，所述上内嵌电极金属叠层(109)和下内嵌电极金属叠层(110)分别嵌于上凹槽(203)和下凹槽(201)内，与凹槽的四壁和底部接触，并与第一n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)和第二n
型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)通过合金处理形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述第一n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)的厚度为0.2～4μm，电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3。
3.根据权利要求2所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述n型掺杂氮化物组分过渡层(104)的厚度为20～200nm，电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3，所述非掺杂氮化物薄插入层(105)的厚度为3～15nm，电子浓度不超过2×1017cm-3。
4.根据权利要求3所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述具有p型电导的氮化物层(106)的厚度为30～300nm，空穴浓度为1×1017cm-3～5×1018cm-3。
5.根据权利要求4所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)吸收的波长为1771～365nm，总厚度为50～300nm，非故意掺杂InxGa1-xN厚度为1～10nm，非故意掺杂InyGa1-yN厚度为1～9nm，其中In组分x与y满足0≤x+0.1≤y≤1的关系。
6.根据权利要求5所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述第二n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)厚度为30～300nm，电子浓度为3×1017cm-3～1×1019cm-3。
7.根据权利要求6所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，所述上凹槽(203)的底部按照从上到下的刻蚀方向不超过非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)的2/3处。
8.根据权利要求7所述一种III族氮化物增益型光电探测器，其特征在于，各层氮化物的禁带宽度不小于非故意掺杂多层InxGa1-yN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)中InxGa1-yN的禁带宽度。
9.一种III族氮化物增益型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底(101)上依次生长缓冲层(102)、第一n型掺杂的氮化物欧姆接触层(103)、n型掺杂氮化物组分过渡层(104)、非掺杂氮化物薄插入层(105)、具有p型电导的氮化物层(106)、非故意掺杂多层InxGa1-xN与InyGa1-yN交替生长的光吸收层(107)、第二n型掺杂的氮化物欧姆接触层(108)，并用有机溶液清洗去除有机污染物，用无机酸液清洗去除无机污染物，得到晶圆；
S2、基于半导体光刻技术将台阶的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，形成台阶结构，得到台面(202)；
S3、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S4、基于半导体光刻技术将下凹槽(201)和上凹槽(203)的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用干法或湿法刻蚀进行特定深度刻蚀后去除光刻胶，得到带有下凹槽(201)和上凹槽(203)的晶圆；
S5、对刻蚀后的晶圆在无机酸液或无机碱液中处理后，在高纯氮气或高真空氛围内进行600～930℃，0.5～1.5分钟的快速热退火，修复刻蚀损伤；
S6、将带有凹槽的晶圆，使用半导体光刻技术将电极的图案转移到涂在晶圆上的光刻胶上，利用电子束蒸发或热蒸发完成金属叠层的沉积，之后进行剥离工艺，此后，将带有金属叠层的晶圆于氮气或高真空氛围内快速热退火，完成电极制备，得到光电探测器。
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