CN117293199A - 非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器及制备方法，属于半导体器件制造技术领域。紫外探测器从下而上依次包括：衬底层、AlN缓冲层、非故意掺杂GaN层、低温掺碳GaN层、GaN吸收层、AlN间隔层、AlGaN势垒层、GaN盖帽层和金属电极层。本发明的非对称叉指结构利用AlGaN/GaN异质结构中的极化效应，使得金属电极间的能带形成不对称的分布特征。器件在无偏置电压情况下也对能对紫外信号进行探测，即器件实现了自驱动功能。所述金属电极间的能带分布具有强的不对称性，这极有利于载流子的输运，从而解决了载流子输运效率低的问题，使器件表现出高的光电流和高响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器及制备方法，属于半导体器件制造技术领域。
背景技术
随着对紫外探测技术的不断研究，紫外光电探测器广泛应用于天文探测、空间通信、导弹跟踪、火灾报警等诸多领域。III-氮化物半导体材料的宽带隙使它成为制作紫外光电探测器的潜在材料。其中，GaN基材料具有可调的宽带隙，覆盖3.4～6.2eV的宽范围，可以通过调节AlGaN材料中Al组分的含量实现波长范围在200～365nm之间。此外还具有耐高温，高电子迁移率，优异的物理和化学稳定性等优点。
目前为止，已经研究了各种类型的GaN基探测器，如p-i-n探测器、金属-半导体-金属(MSM)光电探测器和Schottky势垒探测器。MSM结构较为简单，制作工艺相对也不繁杂，因此而备受青睐。光电探测器中，当两个金属半导体接触使用相同的金属时，器件被定义为对称MSM型器件，通常对称器件两端的肖特基势垒高度相同，而这会导致载流子输运效率较低，进而导致探测器的光电流和响应度较低。其次，由于金属和半导体材料的功函数差有限，当金属半导体接触时，金半界面附近形成的空间电荷区相对于整个吸收区来说很薄。因此，大部分的吸收区域由于电场的缺乏也会导致载流子输运效率降低。
为了提高载流子输运效率，进而提高探测器的光电流和响应度，现有方法通常通过使用不同的金属与半导体材料进行肖特基接触。由于不同的金属具有不同的功函数，从而能够形成势垒高度不同的两个肖特基接触，进而形成不对称能带结构，从而加快载流子输运效率。即使器件在无偏置电压的条件下，这种不对称能带结构也能驱使电荷在电极之间进行输运，即实现自驱动。但是现有的方法中电极之间的能带不对称性较弱，对于载流子输运效率的提升有限。
发明内容
为了解决目前紫外探测器存在的光电流和响应度低的问题，本发明提供了一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，利用AlGaN/GaN异质结的极化效应，使得金属电极间的能带分布更加不对称，从而能进一步提高载流子输运效率，进而提高器件的紫外探测性能。
本发明的第一个目的的提供一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，所述紫外探测器从下而上依次包括：衬底层、AlN缓冲层、非故意掺杂GaN层、低温掺碳GaN层、GaN吸收层以及非对称叉指结构的电极，且一侧电极为单层结构，另一侧电极为多层结构，两侧电极均为指状结构，形成非对称叉指电极。
在一种实施方式中，所述多层结构的一侧电极从下而上依次包括AlN间隔层、AlGaN势垒层和金属电极层；且所述AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结，所述金属电极层与所述AlGaN势垒层形成肖特基接触；单层结构的一侧电极由金属电极层构成，且所述金属电极层与所述GaN吸收层形成肖特基接触。
在一种实施方式中，所述多层结构的一侧电极的AlGaN势垒层和金属电极层之间还包括GaN盖帽层，所述金属电极层与所述GaN盖帽层形成肖特基接触。
在一种实施方式中，所述AlGaN势垒层的Al组分为0.25。
在一种实施方式中，所述金属电极层的材料为：Ni/Au复合金属。
在一种实施方式中，所述衬底层材料为：蓝宝石。
在一种实施方式中，所述非对称叉指结构的金属电极的尺寸为宽15μm，长500μm，间距为10μm。
本发明的第二个目的是提供一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器的制备方法，所述方法通过在衬底层上生长器件外延异质结构，包括：
步骤1：将非故意掺杂GaN层沉积在AlN缓冲层上；
步骤2：非故意掺杂GaN层生长之后，在所述非故意掺杂GaN层上沉积低温掺碳GaN；
步骤3：随后在低温掺碳GaN层上沉积GaN吸收层；
步骤4：在GaN吸收层上沉积AlN间隔层；
步骤5：在AlN间隔层上沉积Al组分为0.25的AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结；
步骤6：最后在AlGaN势垒层上沉积一层GaN盖帽层；
步骤7：沉积完材料层后，对GaN盖帽层、AlGaN势垒层、AlN间隔层进行台面隔离刻蚀，形成指状结构；
步骤8：沉积叉指状金属电极层，形成非对称叉指结构的金属电极。
在一种实施方式中，所述在衬底层上生长器件外延异质结构采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法。
在一种实施方式中，所述步骤7采用电感耦合等离子体与BCl3/Cl2气体进行台面刻蚀。
在一种实施方式中，所述步骤8中非对称叉指结构的金属电极的尺寸为宽15μm，长500μm，间距为10μm。
本发明有益效果是：
(1)相对于现有采用不同金属或不同尺寸实现非对称能带结构的做法，本发明提供一种具有不同电极结构的GaN基紫外探测器，由于两端电极结构不同，使得探测器具有非对称的能带结构，光照后，光生载流子在这种不对称能带的驱使下被两端的电极收集，从而产生光电流。器件在无偏置电压的情况下也对能对紫外信号进行探测，即器件实现了自驱动功能。
(2)本发明的紫外探测器的非对称叉指结构中，用Ni/Au/GaN/Al0.25Ga0.75N/AlN叉指堆叠代替了另一个肖特基电极与GaN吸收层接触，叉指堆叠结构中AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结，由于AlGaN/GaN异质结中的极化效应，异质结界面处GaN侧的能带会强烈向下弯曲，使得金属电极间的能带分布具有强的不对称性，进一步提高了载流子的输运效率，使器件表现出高的光电流和高响应。
(3)本发明所制备的外延层具有较好的表面形貌质量以及高的结晶质量，这尽可能的减少了器件材料的内部位错缺陷，使得器件具有低的暗电流，各项性能表现良好。此外，所设计的非对称叉指结构是通过台面刻蚀形成的，刻蚀深度约为40nm,因此断开了AlGaN/GaN之间的二维电子气导电通道，这也会使器件具有低的暗电流和高的光暗电流比，进而使得器件具备较高的信噪比，提高了器件探测紫外信号的准确性以及性能的稳定性。因此，低暗电流对理想的探测器性能至关重要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具有非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器的层结构示意图。
图2是本发明的自驱动GaN基紫外探测器外延层的原子力显微镜(AFM)图像以及X射线衍射(XRD)图像。
图3是本发明的器件在室温条件下无光照和360nm光照下-20-20V偏压下的I-V曲线特性图。
图4是本发明具有非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器在紫外照射无偏置条件下对应的能带结构图。
图5是本发明的自驱动GaN基紫外探测器在0V偏置电压下的光谱响应图。
图6是本发明的自驱动GaN基紫外探测器在2和10V之间的不同偏置电压下的光谱响应和时间响应特性图。
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实施方式作进一步地详细描述。
实施例一：
本实施例提供一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，参见图1，该GaN基紫外探测器从下而上依次包括：蓝宝石衬底、AlN缓冲层、非故意掺杂GaN层、低温掺碳GaN层、GaN吸收层、指状AlN间隔层、Al组分为0.25的指状AlGaN势垒层、指状GaN盖帽层和叉指状Ni/Au肖特基金属电极层；
AlN缓冲层的厚度为0.7μm；非故意掺杂GaN层厚度为2μm；低温掺碳GaN层厚度为1.6μm；GaN吸收的厚度为200nm；AlN间隔层厚度为0.8nm；随后是25nm厚的Al0.25Ga0.75N势垒层；最后是2nm的GaN的盖帽层
使用具有BCl3/Cl2气体的电感耦合等离子体进行台面蚀刻，形成台面结构的GaN/AlGaN/AlN指状堆叠。随后在指状GaN盖帽层以及GaN吸收层上沉积叉指状的金属电极层，构成具有非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器。金属电极的尺寸为宽15μm，长500μm，间距为10μm。
本实施例提供的非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，两侧电极结构不同，为非对称结构的电极，使得两侧的肖特基势垒高度不同，从而使得器件在无偏置电压的情况下也对能对紫外信号进行探测；具体的，一侧电极为单层结构，仅包括一层金属电极层，而另一侧电极为多层结构，从下而上依次包括AlN间隔层、AlGaN势垒层、GaN盖帽层和金属电极层；且AlGaN势垒层和GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结，利用AlGaN/GaN异质结的极化效应，使得金属电极间的能带分布更加不对称，从而能进一步提高载流子输运效率，使器件表现出高的光电流和高响应。
实施例二：
本实施例提供一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器的制备方法，用于制备实施例一提供的非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，该制备方法通过在蓝宝石衬底上通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长器件外延异质结构，包括：
步骤1：将非故意掺杂GaN层沉积在AlN缓冲层上；
步骤2：非故意掺杂GaN层生长之后，在所述非故意掺杂GaN层上沉积低温掺碳GaN；
步骤3：随后在低温掺碳GaN层上沉积GaN吸收层；
步骤4：在GaN吸收层上沉积AlN间隔层；
步骤5：在AlN间隔层上沉积Al组分为0.25的AlGaN势垒层；
步骤6：最后在AlGaN势垒层上沉积一层GaN盖帽层；
步骤7：使用电感耦合等离子体与BCl3/Cl2气体对GaN盖帽层、AlGaN势垒层、AlN间隔层进行台面隔离刻蚀，形成指状结构；
步骤8：在台面隔离刻蚀后，沉积了标准的Ni/Au肖特基金属堆栈。
为了进一步说明本发明提供的非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器能够达到的有益效果，进行了一系列实验，实验结果如图2至图6所示。
图2中，(a)展示了器件外延层扫描面积为5×5μm2的AFM图像。可以看出，图像中有细小、笔直且明显的原子台阶。通过NanoScopeAnalysis软件对AFM图像进行处理分析，得到表征外延层表面粗糙度的参数：均方根粗糙度(RMS)为0.331nm。以上均表明外延层表面具有较好的表面形貌质量。
图2中，(b)展示了器件外延层的002面的ω/2θ扫描。可以看出，在34.56°和34.92°处有两个明显的峰，分别对应GaN和AlGaN，其中34.92°的峰对应的AlGaN中Al组分经计算为24.8％。说明所制备器件中AlGaN势垒层的Al组分与图1中的AlGaN势垒层中25％的Al组分设计基本吻合。
图2中，(c)、(d)展示了器件外延层的002面和102面的XRD摇摆曲线。测试结果显示外延层002面和102面XRD摇摆曲线的半高宽分别是140arcsec和273arcsec，如此小的半高宽值表明外延层薄膜具有高的结晶质量。
图3展示了本发明的紫外探测器分别在黑暗条件和360nm光照下的传输特性。在室温下测得偏置电压为10V时的暗电流低至1.18×10-10A，光电流达到2.66×10-5A。因此，由测试结果可知，器件具有较低暗电流以及近似105的光暗电流比。此外，由图中可以发现，器件具有不对称分布的I-V特征曲线，这与电极间能带的不对称性分布相一致。
图4展示了本发明的紫外探测器在紫外照射无偏置条件下对应的能带结构。本发明用Ni/Au/GaN/Al0.25Ga0.75N/AlN叉指堆叠代替了另一个肖特基电极与GaN吸收层接触，叉指堆叠结构中AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结，由于AlGaN/GaN异质结中的极化效应，异质结界面处GaN侧的能带会强烈向下弯曲，使得金属电极间的能带分布具有强的不对称性，进一步提高了载流子的输运效率，使器件表现出高的光电流和高响应。
图5展示了紫外探测器在没有偏置电压情况下的光谱响应。可以看出，该器件的截止波长约为365nm，与GaN吸收层的禁带带宽一致。在285nm处可以得到0.024A/W的高响应度，经计算得到0V下对应的探测率为6.6×1012Jones。因此，在无偏置电压时器件具有优异的紫外探测性能。
图6中，(a)展示了紫外探测器在2至10V范围内不同偏压下响应度与波长的函数关系。可以观察到响应度随着外加偏压的增大而增大，在10V时峰值响应度高达115A/W，对应的探测率为8.9×1014Jones。且器件拥有300～360nm宽范围的响应波段，这更加有利于对弱紫外信号的探测。
图6中，(b)展示了器件在2至10V之间的不同偏置电压下的时间依赖光响应。以15秒的时间间隔手动开关360nm的入射光测得。可以观察到明显的光电流的升高和降低，这是由于光照打开和关闭时载流子的产生和衰减引起的，这表明器件具有光开关效应。此外随着偏置电压的升高，光电流也随之变大从0.52μA到26.5μA，这也证实了光电流对偏置电压的依赖性。
综上所述，本发明的紫外探测器可以实现较低的暗电流，具有较高的响应度和较高的探测率。更重要的是，从实验上证实了该器件具备的非对称叉指结构能够实现器件的自驱动功能，且表现出优异的探测性能。
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器，其特征在于，所述GaN基紫外探测器从下而上依次包括：衬底层、AlN缓冲层、非故意掺杂GaN层、低温掺碳GaN层、GaN吸收层以及非对称叉指结构的电极，且一侧电极为单层结构，另一侧电极为多层结构，两侧电极均为指状结构，形成非对称叉指电极。
2.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，多层结构的一侧电极从下而上依次包括AlN间隔层、AlGaN势垒层和金属电极层；且所述AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结，所述金属电极层与所述AlGaN势垒层形成肖特基接触；单层结构的一侧电极由金属电极层构成，且所述金属电极层与所述GaN吸收层形成肖特基接触。
3.根据权利要求2所述的紫外探测器，其特征在于，多层结构的一侧电极的AlGaN势垒层和金属电极层之间还包括GaN盖帽层，所述金属电极层与所述GaN盖帽层形成肖特基接触。
4.根据权利要求2或3所述的紫外探测器，其特征在于，所述AlGaN势垒层的Al组分为0.25。
5.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述金属电极层的材料为：Ni/Au复合金属。
6.根据权利要求1所述的紫外探测器，其特征在于，所述非对称叉指结构的金属电极的尺寸为宽15μm，长500μm，间距为10μm。
7.一种非对称叉指结构的自驱动GaN基紫外探测器的制备方法，其特征在于，所述方法通过在衬底层上生长器件外延异质结构，包括：
步骤1：将非故意掺杂GaN层沉积在AlN缓冲层上；
步骤2：非故意掺杂GaN层生长之后，在所述非故意掺杂GaN层上沉积低温掺碳GaN；
步骤3：随后在低温掺碳GaN层上沉积GaN吸收层；
步骤4：在GaN吸收层上沉积AlN间隔层；
步骤5：在AlN间隔层上沉积Al组分为0.25的AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层和所述GaN吸收层形成AlGaN/GaN异质结；
步骤6：最后在AlGaN势垒层上沉积一层GaN盖帽层；
步骤7：沉积完材料层后，对GaN盖帽层、AlGaN势垒层、AlN间隔层进行台面隔离刻蚀，形成指状结构；
步骤8：沉积叉指状金属电极层，形成非对称叉指结构的金属电极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底层上生长器件外延异质结构采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤7采用电感耦合等离子体与BCl3/Cl2气体进行台面刻蚀。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤8中非对称叉指结构的金属电极的尺寸为宽15μm，长500μm，间距为10μm。
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