CN1140931C - 一种基于ⅲ族氮化物异质结构极化效应的高响应光电探测器 - Google Patents
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Abstract
基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光导型探测器，在硅衬底或兰宝石衬底材料上生长下述应变异质结构的材料：以AlN为缓冲层并外延生长GaN，然后在GaN层上生长AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN应变异质结构，x、y值取0.15-0.35，AlxGa1-xN、GaN、AlyGa1-yN的厚度分别为15-30nm、50-80nm、15-30nm。并在最上层AlyGa1-yN材料上设有导电电极。利用这种应变异质结构所特有的自发、压电极化效应所产生的高极化电场来有效分离光生电子-空穴对，以降低其直接复合损失，从而提高光生载流子寿命；通过一定条件的合金化使金属电极通过表层伸入到内部的GaN层，减少了载流子的表面复合损失，提高了收集效率。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种半导体光电探测器，尤其是基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光导型探测器及其制备方法。
二、背景技术
90年代以来，半导体III族氮化物GaN、AlN、InN及其合金AlGaN、InGaN等宽带隙材料和器件的应用研究和发展很快。光电探测器是其中的一种器件。现有的探测器的结构主要分为光导型和光伏型(含p-n结、肖特基结等)两大类，探测器的衬底材料有兰宝石(sapphire)、硅(Si)等。有源区材料为GaN、AlGaN、InGaN等，以获得不同波长范围的响应。材料的生长方法主要是采用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。美国专利NS5847397给出了一种以兰宝石为衬底材料的氮化物光导型光电探测器，但其探测灵敏度仍可以提高。而且目前以兰宝石为衬底材料的光电探测器存在的问题是：价格高、尺寸小，较难解理切割，不能做电极，与硅的集成技术不兼容等。因此，国际上高度重视研究探索以硅为衬底的氮化物光电探测器。
三、发明内容
本发明的目的是：提供一种基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光导型光电探测器及其制备方法。尤其是提供一种价格低、尺寸大、与硅的集成工艺兼容即以硅为衬底的高响应光电探测器。
本发明的目的是这样实现的：基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光导型探测器，其特征是在硅衬底或兰宝石衬底材料上生长下述应变异质结构的材料：AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN，x、y值取0.15-0.35，并在最上层AlyGa1-yN材料上设有导电电极。AlxGa1-xN、GaN、AlyGa1-yN的厚度分别分别为15-30nm、50-80nm、15-30nm。在上述条件下在异质结构中均可以获得一定强度的方向指向衬底的极化电场(polarization electric-field)。
以硅或兰宝石为衬底，以AlN为缓冲层并外延生长GaN，然后在GaN层上生长Al xGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构材料，并作为光吸收区制备垂直入射的光导型探测器。利用这种应变异质结构所特有的自发、压电极化效应所产生的高极化电场来有效分离光生电子-空穴对，以降低其直接复合损失，从而提高光生载流子寿命；光生电子和空穴分别落入AlGaN/GaN和GaN/AlGaN界面的势阱中，在外加电场作用下流向伸入到内部GaN的金属电极处，也减少了载流子的表面复合。以上因素使得光生载流子在器件内部的损失大大减少，从而提高了探测器的探测灵敏度——响应度。
在硅或兰宝石衬底上生长AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN材料一般是采用MOCVD方法，这里以快速光加热、低压化学气相淀积(RTP/LP-MOCVD)方法为例，以(111)晶向的(斜切约3度)的高阻n型单晶硅片或c-面(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长。生长气源为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)。缓冲层和外延层的生长气源流量、温度、生长时间(决定材料结构的组分、厚度)均以常规方法控制。
本发明提出的新的光导型光电探测器结构的特点是：本发明是基于III族氮化物极化效应实现高响应度的，用AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN应变异质结构比用GaN单层结构作为吸收区制备的探测器其响应度将大幅提高，如硅衬底的此探测器在365nm波长、5.5V偏压下的响应度为24A/W，与现有的硅基氮化物探测器相比，为目前国际报道的最高值。而同样条件下制备的硅衬底GaN单层结构的探测器响应度仅为7A/W。本发明其原理是：从压电极化能带工程出发，设计一特定的AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN应变异质结构，借助AlxGa1-xN/GaN和GaN/AlyGa1-yN两个异质结产生的极化电场，强烈调节GaN两个界面的能带，使GaN区中产生的光生电子-空穴对实现有效的空间分离，大大减小其直接复合，光生电子和空穴分别迅速移向AlyGa1-yN/GaN和GaN/AlxGa1-xN界面，为两个歐姆电极所收集。同时，将器件的两个电极伸入到内部的GaN层，也减少了载流子的表面复合，提高了收集效率。因此，本器件具有很高的光电响应度。这一原理的能带图参见图4。该探测器响应谱中低于360nm的短波长响应度降低是由于表层AlyGa1-yN层体复合和表面复合造成的。
四、附图说明
图1为本发明III族氮化物异质结构高响应光电探测器器件的结构剖视示意图
图2为本发明光导型探测器的金属电极版图示意图
图3为本发明光电探测器的典型光电响应谱图
图4为本发明AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN应变异质结构的能带示意图
图4中Ep为极化电场，Ec、Ev分别表示导带和价带
五、具体实施方式
如图所示，图1中应变异质结构的高响应光电探测器，在(111)(斜切约3度)的高阻硅或兰宝石(0001)衬底材料上生长：AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN，x、y值取0.15-0.35，并在最上层AlyGa1-yN材料上设有导电电极。AlxGa1-xN、GaN、AlyGa1-yN的厚度分别为15-30nm、50-80nm、15-30nm。在上述条件下均可以获得一定强度的方向指向衬底的极化电场。
以硅或兰宝石为衬底，以氮化铝(AlN)为缓冲层(厚度为100-300nm)，在缓冲层即图中AlN上生长氮化镓(GaN)外延层(厚度为400-600nm)，再在外延层GaN 1上生长AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构作为光吸收区。x、y值取范围仍同上，即0.15-0.35。利用控制MO源流量的方法来控制x、y值。异质结构中层GaN2。
生长工艺一般采取常规方法：气源为高纯三甲基镓(TMG)、高纯三甲基铝(TMA)、高纯氨气(NH3)，载气为高纯氢气(H2)。
缓冲层AlN生长及退火：
TMA流量：12-14μmol/min，NH3流量：1700-1900ml/min，H2流量：700-900ml/min
温度：1030-1090℃
时间：约20min
压力：约20Torr
退火：H2流量700-900ml/min，NH3流量：1700-1900ml/min；1050-1070℃；3-7min
外延层GaN生长：
TMG流量：15-20μmol/min，NH3流量：1700-1900ml/min，H2流量：700-900ml/min
温度：940-1060℃
时间：约50min
压力：约76Torr 生长速率约为0.6-0.8μm/h
外延层AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构生长及退火：
TMA/TMG流量：7-10/14-11μmol/min，H2流量：800ml/min；980-1100℃；1.5-3min
TMG流量：15-20μmol/min，H2流量：800ml/min；970-1130℃；5-8min
TMA/TMG流量：7-10/13-11μmol/min；H2流量：800ml/min；980-1100℃；1.5-3min
压力：约76Torr
热退火：NH3流量：1200-1500ml/min；980-1100℃；5-15min
本发明III族氮化物高响应光电探测器器件的制备，采用光导型AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN应变异质结构，图1和图2中金属电极为Ti/Al或Ti/Al/Pt/Au多层金属电极3。图2电极图形为叉指形，典型电极条宽为10μm长为550μm，电极间距为5-20μm，可以设计多个子单元并联，以增大输出光生电流。电极金属采用多层金属以获得良好的欧姆接触，Ti/Al(厚度为30/200nm)或Ti/Al/Pt/Au(厚度为30/100/40/200nm)，用电子束蒸发获得。金属电极图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备。金属电极的合金化：在高纯N2中，900℃，50-90秒的条件下使金属电极通过AlyGa1-yN表层伸入到下面的GaN。由于本发明GaN及AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构材料的能带为宽的直接带隙，因此，适用于紫外波段的光电探测器器件。另外，改变中间层GaN(可写为AlzGa1-zN)的组分z(z值取0-0.2)及x，y的值，可使得响应波长窗口移动。
图2中ABCD为四只光电探测器的一个引出脚，而E为公共的另一个引出脚。
Claims (4)
1、基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光电探测器，其特征是在硅衬底或兰宝石衬底材料上生长下述结构的材料：AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN，x、y值取0.15-0.35，并在最上层AlyGa1-yN材料上设有导电电极，电极通过AlGaN表层伸入到下面的GaN层。
2、由权利要求1所述的基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光电探测器，其特征是AlxGa1-xN、GaN、AlyGa1-yN的厚度分别分别为15-30nm、50-80nm、15-30nm。
3、由权利要求1所述的基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光电探测器，其特征是在硅或兰宝石衬底上，以AlN为缓冲层，其厚度为100-300nm，并在缓冲层上生长厚度为400-600 nm的GaN及AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构。
4、基于III族氮化物异质结构极化效应的高响应光电探测器的制备方法，其特征是以(111)晶向的高阻硅片或(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内采用MOCVD方法生长，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长；生长气源为三甲基镓(TGM)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)；在硅或兰宝石衬底上，分别生长AlN为缓冲层，其厚度为100-300nm，并在缓冲层上生长厚度为400-600nm的GaN及AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结构，用电子束蒸发Ti/Al或Ti/Al/Pt/Au多层金属作为电极，金属电极的图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备，金属电极在纯N2中、900℃、50-90秒的合金化条件下使金属电极通过AlGaN表层伸入到下面的GaN层。
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| CN1371133A (zh) | 2002-09-25 |
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