CN115911168A - 一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器及其制备方法，涉及日盲紫外光电探测器领域。本发明是在p型氮化镓衬底上先沉积一层本征氧化镓作为i层，然后再沉积一层硅掺杂的n型氧化镓层构成pin异质结。通过合理调控掺杂浓度和i型氧化镓层的厚度，使得作为主要吸光层的i型氧化镓层全耗尽。随后在pin异质结上分别制备p型氮化镓和n型氧化镓的欧姆接触，即可获得基于氧化镓的pin异质结光电探测器。对比常规的氧化镓基pn异质结光电探测器，本发明中制备的pin异质结光电探测器具有优异的器件性能，包括更短的响应时间、更大的响应度、更大的光暗电流比、良好的瞬态响应特性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种有源区全耗尽pin异质结日盲紫外高速光电探测器及其制备方法。
背景技术
硅、锗为代表的第一代半导体在微电子领域起着十分重要的作用，但是随着技术的发展，由于硅的禁带宽度窄、击穿电场较低，很难达到在高频、高功率器件和光电子方面应用的要求。之后出现了继硅、锗之后的第二代半导体，如砷化镓、锗化硅等，有着比硅具有更高的电子迁移率、更大的禁带宽度、更优异的光电性能、更适用于高速高频高温大功率的电子器件。而近些年来，又出现了以碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、氧化镓等禁带宽度大于2.3eV的第三代半导体材料，相比前两代半导体材料，这类材料的带隙大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度快、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，具有良好的化学稳定性，非常适合用来研制抗辐射、高频、大功率与高密度集成的半导体器件。
氧化镓(Ga2O3)是一种新兴宽禁带半导体(禁带宽度为4.9eV)，具有比氮化镓、碳化硅(3.3eV)更宽的禁带宽度和更高的击穿场强，是新一代超大功率器件的优选材料。氧化镓材料及器件作为半导体领域一颗冉冉升起的新星，受到了各国学术界和产业界的强烈关注。另一方面，当太阳光通过大气层时，由于臭氧层的强烈吸收，处于200nm-280nm波段的紫外光在近地面几乎不存在，因而该波段的光也被称为日盲紫外光，基于该波段的探测器即为日盲紫外光电探测器。由于避免了太阳光背景辐射干扰，日盲紫外光电探测器具有背景噪声小、虚警率低、抗干扰强等突出优势，在导弹预警、高压电网电晕检测、火焰探测、深紫外消毒杀菌(新冠病毒)等领域有广泛应用。氧化镓的禁带宽度对应波长为260nm，正好落在日盲紫外区。基于氧化镓的光电探测器只对日盲紫外光有响应，是日盲探测器的理想半导体材料。光电探测器一个核心的指标是响应速度，为了实现对快速变化信号的探测，我们希望响应速度越快越好。在pn结型光电探测器中，由于内建电场的存在可以促进光生载流子的分离，提高探测器的响应速度，因此对于高速光电探测器的制备常采用pn结型。由于目前p型氧化镓的制备还比较困难，因此常采用其他的p型材料与n型氧化镓构成pn异质结。pn结型光电探测器中主要吸收光的区域叫做有源区，而对光电流有贡献的有源区主要来自耗尽区，因此耗尽区十分关键。然而大多数报道的pn异质结光电探测器，由于p区或n区的重掺杂往往会使得耗尽区的宽度较窄，从而限制了光电探测器的性能。
发明内容
本发明提供了一种制备高速光电探测器的方法，通过对器件结构和耗尽区的合理调控，光电探测器具有一个全耗尽的有源区，最终光电探测器的性能得到了明显的提升。改善了传统pn结型光电探测器中由于耗尽区宽度较窄导致器件性能受到限制的问题。
本发明提供的一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化铝衬底(1)放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min～15min，然后用氮气枪吹干；
2)在氧化铝衬底(1)上利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生长氮化镓缓冲层(2)；
3)在氮化镓缓冲层(2)上利用MOCVD技术生长非掺杂的氮化镓层(3)；
4)在非掺杂的氮化镓层(3)上利用MOCVD技术生长p型氮化镓层(4)。所述p型氮化镓层(4)为p型层；
5)将样品放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min～15min，然后用氮气枪吹干；
6)在p型氮化镓层(4)的一侧上利用PLD(脉冲激光沉积)技术生长非掺杂的本征氧化镓层(6)。所述本征氧化镓层(6)为i型层；
7)在i型氧化镓层(6)上利用PLD技术生长n型氧化镓层(7)。所述n型氧化镓层(7)为n型层；
8)利用氩等离子体对p型欧姆接触电极(5)的沉积区域进行预处理；
9)在p型氮化镓层(4)的另一侧上利用磁控溅射技术镀上p型欧姆接触电极(5)；
10)将样品放入快速退火炉中对p型欧姆接触电极(5)进行退火以改善p型欧姆接触；
11)在n型氧化镓层(7)上利用磁控溅射技术镀上n型欧姆接触电极(8)；
12)将样品放入快速退火炉中对n型欧姆接触电极(8)进行退火以改善n型欧姆接触。
优选的，所述氧化铝衬底(1)的尺寸为5mm×10mm×0.5mm，氧化铝取向为c面。
优选的，所述氮化镓缓冲层(2)的厚度为50nm～70nm。
优选的，所述非掺杂的氮化镓层(3)的厚度为2μm～2.5μm。
优选的，所述p型氮化镓层(4)的厚度为2μm～2.5μm，载流子浓度为5×1017cm3～5×1018cm3。
优选的，所述i型氧化镓层(6)的厚度为200nm～250nm，载流子浓度为1×1016cm3～2.1×1016cm3。
优选的，所述i型氧化镓层(6)的生长工艺条件为：PLD采用非掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为4～6Hz和1.3～1.5J/cm2，靶材和衬底之间的距离为4.5～5.5cm，生长温度为630～670℃，氧气压力为1Pa～1.5Pa。为了降低i型氧化镓层(6)的载流子浓度，在i型氧化镓层(6)沉积之后，将生长室温度降低到590～610℃，氧气压力增加到30kPa～101kPa，样品在高氧压的环境下退火10min～30min。
优选的，所述n型氧化镓层(7)的厚度为30nm～50nm，载流子浓度为5×1018cm3～5×1019cm3。
优选的，所述n型氧化镓层(7)的生长工艺条件为：PLD采用0.5％硅掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为4～6Hz和1.3～1.5J/cm2，靶材和衬底之间的距离为4.5～5,5cm，生长温度为590～610℃，氧气压力为1Pa～1.5Pa。
优选的，所述氩等离子体预处理的工艺条件为：用一个金属掩膜版盖在样品的表面，只露出后续沉积p型欧姆接触电极(5)的区域。将样品带有金属掩膜版的那面朝上放入等离子体去胶机中在氩气环境下进行预处理，功率为100W～150W，氩气流量为150sccm～200sccm，处理时间为5min～10min。
优选的，所述p型欧姆接触电极(5)的生长工艺条件为：使用磁控溅射Ni/Au作为p型欧姆接触电极(5)。溅射Ni和Au时溅射功率为150W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa。先溅射20nm～50nm的Ni，再溅射20nm～50nm的Au。
优选的，所述p型欧姆接触电极(5)的退火条件为：使用快速退火炉退火，退火温度为500℃，退火气氛为空气，退火时间为3min～5min。
优选的，所述n型欧姆接触电极(8)的生长工艺条件为：使用磁控溅射Ti/Au作为n型欧姆接触电极(8)。溅射Ti时溅射功率为100W～150W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa。溅射Au时溅射功率为150W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa。先溅射20nm～50nm的Ti，再溅射20nm～50nm的Au。
优选的，所述n型欧姆接触电极(8)的退火条件为：使用快速退火炉退火，退火温度为550℃，退火气氛为氮气，退火时间为2min～4min。
本发明通过对pin异质结中各层的厚度和载流子浓度的精确控制使得制备的pin异质结光电探测器具有一个全耗尽的有源区，在全耗尽有源区的作用下极大地提升了光电探测器的响应速度和各项光电性能，如响应度、探测率等。对比同类型的光电探测器，本发明中制备的有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器具有更快的响应速度、更大的响应度等优点，适用于对响应速度和准确率有严格要求的场景中。同时制备方法简单、成本较低、可重复性高、制备的光电探测器稳定性强，因此本发明具备实用价值。
本发明提供的一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器及其制备方法具有如下优点：
1)由于光电探测器具有一个全耗尽的有源区使得产生的光生载流子可以直接在内建电场的作用下被分离并进行高速的漂移运动，减少了载流子扩散的距离，从而使得光电探测器的响应速度大大提升。
2)由于光电探测器的耗尽区得到了有效的扩宽使得光电探测器的光吸收效率得到了提升，从而使得光电探测器的光电流、响应度、探测率等光电性能得到明显提升。
3)本发明中没有复杂的制备工艺，制备方法简单，可重复性高，且制备的光电探测器具有优异的光电性能和稳定性。
附图说明
图1为制备的光电探测器的结构示意图，其中PD2-pn作为实验对照组；
图2为制备的光电探测器的横截面扫描电子显微镜图；
图3为制备的光电探测器的响应速度；
图4为制备的光电探测器的响应度曲线；
图5为制备的光电探测器的稳定性测试图。
图6为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
图1展示了两种类型的光电探测器，其中图1(a)为本发明所提出的有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器，图1(b)为常规的pn异质结光电探测器用来作为实验对照组。
参见图6，对于有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器，由下至上包括：氧化铝衬底(1)、氮化镓缓冲层(2)、非掺杂氮化镓层(3)、p型氮化镓层(4)、位于p型氮化镓层(4)上表面的p型欧姆接触电极(5)和i型氧化镓层(6)、位于i型氧化镓层(6)上表面的n型氧化镓层(7)和位于n型氧化镓层(7)上表面的n型欧姆接触电极(8)。
一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，步骤如下：
1)将尺寸为5mm×10mm×0.5mm的c面氧化铝衬底(1)放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min，然后用氮气枪吹干；
2)在氧化铝衬底(1)上利用MOCVD技术生长50nm的氮化镓缓冲层(2)；
3)在氮化镓缓冲层(2)上利用MOCVD技术生长2μm的非掺杂的氮化镓层(3)；
4)在非掺杂的氮化镓层(3)上利用MOCVD技术生长2μm厚，载流子浓度为5×1017cm3的p型氮化镓层(4)；
5)将样品放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min，然后用氮气枪吹干；
6)在p型氮化镓层(4)的一侧上利用PLD技术生长200nm厚，载流子浓度为2.1×1016cm3的非掺杂的i型氧化镓层(6)。PLD采用非掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为5Hz和1.4J/cm2，靶材和衬底之间的距离为5cm，生长温度为650℃，氧气压力为1Pa。为了降低i型氧化镓层(6)的载流子浓度，在i型氧化镓层(6)沉积之后，将生长室温度降低到600℃，氧气压力增加到30kPa，样品在高氧压的环境下退火15min；
7)在i型氧化镓层(6)上利用PLD技术生长50nm厚，载流子浓度为8×1018cm3的n型氧化镓层(7)。PLD采用0.5％硅掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为5Hz和1.4J/cm2，靶材和衬底之间的距离为5cm，生长温度为600℃，氧气压力为1Pa；
8)利用氩等离子体对p型欧姆接触电极(5)的沉积区域进行预处理。用一个金属掩膜版盖在样品的表面，只露出后续沉积p型欧姆接触电极(5)的区域。将样品带有金属掩膜版的那面朝上放入等离子体去胶机中在氩气环境下进行预处理，功率为100W，氩气流量为150sccm，处理时间为5min；
9)在p型氮化镓层(4)的另一侧上利用磁控溅射技术镀上p型欧姆接触电极(5)。使用磁控溅射Ni/Au作为p型欧姆接触电极(5)。溅射Ni和Au时溅射功率为150W，氩气流量为30sccm，气压为0.5Pa。先溅射20nm的Ni，再溅射20nm的Au；
10)将样品放入快速退火炉中对p型欧姆接触电极(5)进行退火以改善p型欧姆接触。退火温度为500℃，退火气氛为空气，退火时间为5min；
11)在n型氧化镓层(7)上利用磁控溅射技术镀上n型欧姆接触电极(8)。使用磁控溅射Ti/Au作为n型欧姆接触电极(8)。溅射Ti时溅射功率为100W，氩气流量为30sccm，气压为0.5Pa。溅射Au时溅射功率为150W，氩气流量为30sccm，气压为0.5Pa。先溅射20nm的Ti，再溅射20nm的Au；
12)将样品放入快速退火炉中对n型欧姆接触电极(8)进行退火以改善n型欧姆接触。退火温度为550℃，退火气氛为氮气，退火时间为2min。
对比例1
对于常规的pn异质结光电探测器，包括：氧化铝衬底(1)、氮化镓缓冲层(2)、非掺杂氮化镓层(3)、p型氮化镓层(4)、位于p型氮化镓层(4)上表面的p型欧姆接触电极(5)和n型氧化镓层(7)，以及位于n型氧化镓层(7)上表面的n型欧姆接触电极(8)。和实施例1相比，对比例的光电探测器的差别仅在于不含有i型氧化镓层(6)。
各层的制备方法同实施例1。
图2分别展示了实施例1和对比例1制备的两种异质结的横截面扫描电子显微镜图。
图3显示了两种光电探测器在相同测试环境下的响应速度，可以看到本发明所提出的有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器具有更快的响应速度，具体体现在更短的上升和下降时间。
图4显示了两种光电探测器在相同测试环境下的响应度曲线，可以看到本发明所提出的有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器具有更大的响应度，且对日盲区的选择性也更好。
图5显示了两种光电探测器的稳定性测试图，可以看到本发明所提出的有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器具有良好的稳定性，经过长时间的放置也不会使得光电探测器的性能发生明显劣化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器，其特征在于，由下至上包括：氧化铝衬底(1)、氮化镓缓冲层(2)、非掺杂氮化镓层(3)、p型氮化镓层(4)、位于p型氮化镓层(4)上表面一区域的p型欧姆接触电极(5)和位于p型氮化镓层(4)上表面另一区域域的i型氧化镓层(6)、位于i型氧化镓层(6)上表面的n型氧化镓层(7)和位于n型氧化镓层(7)上表面的n型欧姆接触电极(8)；所述p型欧姆接触电极(5)和所述i型氧化镓层(6)之间留有间隙。
2.一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将氧化铝衬底(1)放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min～15min，然后用氮气枪吹干；
2)在氧化铝衬底(1)上利用MOCVD技术生长氮化镓缓冲层(2)；
3)在氮化镓缓冲层(2)上利用MOCVD技术生长非掺杂的氮化镓层(3)；
4)在非掺杂的氮化镓层(3)上利用MOCVD技术生长p型氮化镓层(4)；所述p型氮化镓层(4)为p型层；
5)将样品放入丙酮、乙醇、去离子水中依次超声清洗10min～15min，然后用氮气枪吹干；
6)在p型氮化镓层(4)的一侧上利用PLD技术生长非掺杂的本征氧化镓层(6)；所述本征氧化镓层(6)为i型层；
7)在i型氧化镓层(6)上利用PLD技术生长n型氧化镓层(7)；所述n型氧化镓层(7)为n型层；
8)利用氩等离子体对p型欧姆接触电极(5)的沉积区域进行预处理；
9)在p型氮化镓层(4)的另一侧上利用磁控溅射技术镀上p型欧姆接触电极(5)；
10)将样品放入快速退火炉中对p型欧姆接触电极(5)进行退火以改善p型欧姆接触；
11)在n型氧化镓层(7)上利用磁控溅射技术镀上n型欧姆接触电极(8)；
12)将样品放入快速退火炉中对n型欧姆接触电极(8)进行退火以改善n型欧姆接触。
3.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述氧化铝衬底(1)的尺寸为5mm×10mm×0.5mm，氧化铝取向为c面；所述氮化镓缓冲层(2)的厚度为50nm～70nm；所述非掺杂的氮化镓层(3)的厚度为2μm～2.5μm；
所述p型氮化镓层(4)的厚度为2μm～2.5μm，载流子浓度为5×1017cm3～5×1018cm3；
所述i型氧化镓层(6)的厚度为200nm～250nm，载流子浓度为1×1016cm3～2.1×1016cm3。
4.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述i型氧化镓层(6)的生长工艺条件为：PLD采用非掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为4～6Hz和1.3～1.5J/cm2，靶材和衬底之间的距离为4.5～5.5cm，生长温度为630～670℃，氧气压力为1Pa～1.5Pa；为了降低i型氧化镓层(6)的载流子浓度，在i型氧化镓层(6)沉积之后，将生长室温度降低到590～610℃，氧气压力增加到30kPa～101kPa，样品在高氧压的环境下退火10min～30min。
5.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述n型氧化镓层(7)的厚度为30nm～50nm，载流子浓度为5×1018cm3～5×1019cm3。
6.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述n型氧化镓层(7)的生长工艺条件为：PLD采用0.4～0.6％硅掺杂的氧化镓靶材，脉冲激光的频率和能量密度分别为4～6Hz和1.3～1.5J/cm2，靶材和衬底之间的距离为4.5～5.5cm，生长温度为590～610℃，氧气压力为1Pa～1.5Pa。
7.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述氩等离子体预处理的工艺条件为：用一个金属掩膜版盖在样品的表面，只露出后续沉积p型欧姆接触电极(5)的区域；将样品带有金属掩膜版的那面朝上放入等离子体去胶机中在氩气环境下进行预处理，功率为100W～150W，氩气流量为150sccm～200sccm，处理时间为5min～10min。
8.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述p型欧姆接触电极(5)的生长工艺条件为：使用磁控溅射Ni/Au作为p型欧姆接触电极(5)；溅射Ni和Au时溅射功率为150W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa；先溅射20nm～50nm的Ni，再溅射20nm～50nm的Au。
9.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述n型欧姆接触电极(8)的生长工艺条件为：使用磁控溅射Ti/Au作为n型欧姆接触电极(8)；溅射Ti时溅射功率为100W～150W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa；溅射Au时溅射功率为150W～200W，氩气流量为30sccm～50sccm，气压为0.5Pa～1Pa；先溅射20nm～50nm的Ti，再溅射20nm～50nm的Au。
10.根据权利要求2所述一种有源区全耗尽的pin异质结日盲紫外高速光电探测器的制备方法，其特征在于，所述p型欧姆接触电极(5)的退火条件为：使用快速退火炉退火，退火温度为500℃，退火气氛为空气，退火时间为3min～5min；所述n型欧姆接触电极(8)的退火条件为：使用快速退火炉退火，退火温度为550℃，退火气氛为氮气，退火时间为2min～4min。
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- 2022-10-12 CN CN202211246453.3A patent/CN115911168A/zh active Pending
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