CN117613120A - 一种日盲光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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陈财
龚子刚
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邵语嫣
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Abstract

本发明公开了一种日盲光电探测器及其制备方法，其中的日盲光电探测器包括：衬底以及依次设置于衬底上的AlN缓冲层和GaN沟道层；AlGaN势垒层，设置于GaN沟道层上，且AlGaN势垒层和GaN沟道层之间形成二维电子气；AlGaN势垒层覆盖GaN沟道层上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构；阴电极和阳电极，分别设置于阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层上；一维光子晶体层，设置于叉指状结构的AlGaN势垒层上。本发明中的日盲光电探测器，光生电流较高、响应度较高、暗电流较低，且成本较低。

Description

一种日盲光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种日盲光电探测器及其制备方法。
背景技术
在地球表面，太阳辐射是最主要的辐射源，其中波长小于200nm的紫外辐射会被大气层中的气体分子和游离态的原子吸收，使其在地球表面完全不存在；波长在300nm以下的紫外线辐射会被包裹地球的臭氧层吸收。这就意味当太阳光射向地球表面时，地球表面只存在波长介于300nm至400nm的紫外波段太阳辐射，而波长在200-280nm范围内的辐射由于吸收不能达到地球表面，该波段被称为日盲区，如在日盲紫外波段探测，可最大程度排除太阳辐射的干扰，探测背景噪声低。日盲紫外探测器从而能够高效精准探测地球表面非自然因素产生的微弱的紫外信号。
但是，目前商用日盲光电探测器通常是体积庞大并且易碎的光电倍增管，不仅需要200V到400V的偏置电压，其内还包括成本较高的紫外滤光片等部件，具有体积大、成本高、抗干扰差等问题，使用限制较大。因此，亟待提供一种体积小、成本低、效果好的日盲光电探测器以满足使用需求。
发明内容
因此，基于上述问题，本发明提供了一种以GaN材料为基础、具有高响应度和低暗电流，且成本较低的的日盲光电探测器。
为此，根据第一方面，本发明提供了一种日盲光电探测器，包括：
衬底以及依次设置于衬底上的AlN缓冲层和GaN沟道层；
AlGaN势垒层，设置于GaN沟道层上，且AlGaN势垒层和GaN沟道层之间形成二维电子气；AlGaN势垒层覆盖GaN沟道层上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构；
阴电极和阳电极，分别设置于阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层上；
一维光子晶体层，设置于叉指状结构的AlGaN势垒层上。
在可选的实施方式中，一维光子晶体层包括若干交替叠设的TiO2层和MgF2层。
在可选的实施方式中，一维光子晶体层包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层。
在可选的实施方式中，一维光子晶体层的交替周期为7个周期。
在可选的实施方式中，叉指状结构中的叉指的宽度在5μm～10μm之间，间距在10μm～30μm之间。
根据第二方面，本发明还提供了一种日盲光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
依次在衬底上生长AlN缓冲层、GaN沟道层和初始AlGaN势垒层；
刻蚀初始AlGaN势垒层，以形成AlGaN势垒层，AlGaN势垒层覆盖GaN沟道层上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构；
分别在阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层上生长阴电极和阳电极；
在叉指状结构的AlGaN势垒层上生长一维光子晶体层。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
本发明提供的日盲光电探测器，通过设置GaN沟道层和AlGaN势垒层的异质结构，使二者的界面处形成的具有较高饱和速度、较高电子迁移率的高导电二维电子气通道，并通过设置AlGaN势垒层在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构，隔断电极之间的二维电子气，使得在暗态条件下，二维电子气不再作为导电通道，有效降低了暗电流；同时，通过在叉指状结构的AlGaN势垒层上设置一维光子晶体层，既能以较低的成本实现滤波日盲，还可以有效增大感光区面积(相对于在叉指状结构上设置金属电极)，提高光生电流，最终得到响应度较高暗电流较低，且成本较低的日盲光电探测器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1提供的一种日盲光电探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种日盲光电探测器中的势垒层的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种日盲光电探测器的制备方法的方法流程图；
附图标记说明：
1-衬底；2-AlN缓冲层；3-GaN沟道层；4-AlGaN势垒层；51-阴电极；52-阳电极；6-一维光子晶体层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例提供了一种日盲光电探测器，如图1所示，该日盲光电探测器包括衬底1、AlN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、阴电极51、阳电极52和一维光子晶体层6。
本实施例中，AlN缓冲层2和GaN沟道层3依次设置于衬底1上。具体实施时，可以设置衬底1为蓝宝石衬底或者Si衬底等，GaN沟道层3为未掺杂GaN层。
具体实施时，AlN缓冲层2和GaN沟道层3均可以为通过金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)设置。
本实施例中，AlGaN势垒层4设置于GaN沟道层上，且AlGaN势垒层4和GaN沟道层2之间形成二维电子气。具体地，如图2所述，AlGaN势垒层4覆盖GaN沟道层3上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构。
具体实施时，可以设置AlGaN势垒层4的Al组分在0.2～0.3之间。
具体实施时，可以设置叉指状结构中的叉指的宽度在5μm～10μm之间，间距在10μm～30μm之间。
具体实施时，可以先通过金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)设置覆盖GaN沟道层3的全部上表面的初始AlGaN势垒层，再对阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域的初始AlGaN势垒层进行沟道刻蚀，并使刻蚀深度直至GaN沟道层3，从而切断二维电子气，形成AlGaN势垒层4。具体实施时，可以使用Cl2和BCl3混合气进行刻蚀。
本实施例中，阴电极51和阳电极52分别设置于阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层4上。
具体实施时，可以设置阴电极51和阳电极52为采用Ti、Al、Ni和Au中的一种或者多种金属材料制备形成；以阴电极51和阳电极52均为Ti/Al/Ni/Au电极为例，可以采用电子束蒸发镀膜依次生长Ti、Al、Ni和Au的金属薄膜后制备形成阴电极51和阳电极52。具体实施时，可以设置Ti的厚度为40nm，Al的厚度为150nm，Ni的厚度为40nm，Au的厚度为100nm；金属生长结束后，可以在N2氛围下，850℃退火30s，以使阴电极51和阳电极52与AlGaN势垒层4形成良好的欧姆接触。
本实施例中，一维光子晶体层6设置于叉指状结构的AlGaN势垒层5上。
具体实施时，可以设置一维光子晶体层6包括若干交替叠设的TiO2层和MgF2层。
具体实施时，还可以设置一维光子晶体层6包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层。
具体实施时，以一维光子晶体层6包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层，且一维光子晶体层6中的底层为Si3N4层(当然，底层也可以为SiO2层)为例，则可以先使用PECVD设备在叉指状结构的AlGaN势垒层5上生长Si3N4底层薄膜，再在Si3N4底层薄膜上依次生长SiO2薄膜和Si3N4薄膜，形成一个交替周期；重复若干个交替周期，完成一维光子晶体层6的设置。具体实施时，在生长Si3N4薄膜(包括Si3N4底层薄膜)时，可以设置PECVD设备内的反应气体为氨气、硅烷以及高纯氮气，生长温度在250℃～350℃之间，工作气压在100Pa～150Pa之间，其中硅烷采用4％～6％的SiH4与氮气的混合气；具体实施时，可以设置硅烷的气体流量为300sccm，氨气的气体流量为11sccm，氮气的气体流量为500sccm。具体实施时，在生长SiO2薄膜时，可以设置PECVD设备内的生长温度在140℃～160℃之间，工作气压在1.8Pa～2.5Pa之间，反应气体硅烷和氧气，其中硅烷为4％～6％的的硅烷与氩气的混合气体；具体实施时，可以设置硅烷的气体流量为130.5sccm，氧气的气体流量为13sccm。
具体实施时，可以设置交替周期为7个周期，进而形成具有15层的一维光子晶体层6。
本实施例中的日盲光电探测器日盲光电探测器，通过设置GaN沟道层3和AlGaN势垒层4的异质结构，使二者的界面处形成的具有较高饱和速度、较高电子迁移率的高导电二维电子气通道，并通过设置AlGaN势垒层4在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构，隔断电极之间的二维电子气，使得在暗态条件下，二维电子气不再作为导电通道，有效降低了暗电流；同时，通过在叉指状结构的AlGaN势垒层4上设置一维光子晶体层6，既能以较低的成本实现滤波日盲，还可以有效增大感光区面积(相对于在叉指状结构上设置金属电极)，提高光生电流，最终得到响应度高、暗电流低、成本低的日盲光电探测器。
实施例2
本实施例提供了一种日盲光电探测器的制备方法，其即为上述实施例1中的日盲光电探测器的制备方法，因而其具体方案可以参照实施例1中的内容进行理解。
如图3所示，本实施例中的日盲光电探测器的制备方法包括如下步骤：
S100：依次在衬底1上生长AlN缓冲层2、GaN沟道层3和初始AlGaN势垒层。
本实施例中，可以设置衬底1为蓝宝石衬底或者Si衬底等；可以设置GaN沟道层3为非掺杂GaN层；可以设置AlGaN势垒层4的Al组分在0.2～0.3之间。
具体实施时，AlN缓冲层2、GaN沟道层3和初始AlGaN势垒层的生长均可以在金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备内进行。
S200：刻蚀初始AlGaN势垒层，以形成AlGaN势垒层4，AlGaN势垒层4覆盖GaN沟道层3上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构。
具体实施时，可以先在初始AlGaN势垒层上光刻隔离沟槽图形，再采用电感耦合等离子体(ICP)工艺，以光刻胶为刻蚀模板，通过刻蚀气体(如，Cl2和BCl3混合气)刻蚀得到深至GaN沟道层3的隔离沟槽，以在阴极位置区域和阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构，进而形成AlGaN势垒层4。刻蚀结束后，还可以分别用丙酮、乙醇、去离子水清洗制备形成的半导体表面，并使用氮气吹干。
具体实施时，可以设置叉指状结构中的叉指的宽度在5μm～10μm之间，间距在10μm～30μm之间。
S300：分别在阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层4上生长阴电极51和阳电极52。
本实施例中，阴电极51和阳电极52可以为采用Ti、Al、Ni和Au中的一种或者多种金属材料制备形成；以阴电极51和阳电极52均为Ti/Al/Ni/Au电极为例，可以采用电子束蒸发镀膜分别在阴极位置区域和阳极位置区域的AlGaN势垒层4上依次生长Ti、Al、Ni和Au的金属薄膜的方式，完成阴电极51和阳电极52的生长；且可以在N2氛围下进行退火，以形成良好的欧姆接触。
具体实施时，可以设置Ti的厚度为40nm，Al的厚度为150nm，Ni的厚度为40nm，Au的厚度为100nm。
S400：在叉指状结构的AlGaN势垒层4上生长一维光子晶体层6。
具体实施时，可以设置一维光子晶体层6包括若干交替叠设的TiO2层和MgF2层。
具体实施时，还可以设置一维光子晶体层6包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层。
具体实施时，以一维光子晶体层6包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层，且一维光子晶体层6中的底层为Si3N4层(当然，底层也可以为SiO2层)为例，则可以先使用PECVD设备在叉指状结构的AlGaN势垒层5上生长Si3N4底层薄膜，再在Si3N4底层薄膜上依次生长SiO2薄膜和Si3N4薄膜，形成一个交替周期；重复若干个交替周期，完成一维光子晶体层6的设置。具体实施时，在生长Si3N4薄膜(包括Si3N4底层薄膜)时，可以设置PECVD设备内的反应气体为氨气、硅烷以及高纯氮气，生长温度在250℃～350℃之间，工作气压在100Pa～150Pa之间，其中硅烷采用4％～6％的SiH4与氮气的混合气；具体实施时，可以设置硅烷的气体流量为300sccm，氨气的气体流量为11sccm，氮气的气体流量为500sccm。具体实施时，在生长SiO2薄膜时，可以设置PECVD设备内的生长温度在140℃～160℃之间，工作气压在1.8Pa～2.5Pa之间，反应气体硅烷和氧气，其中硅烷为4％～6％的的硅烷与氩气的混合气体；具体实施时，可以设置硅烷的气体流量为130.5sccm，氧气的气体流量为13sccm。
具体实施时，可以设置交替周期为7个周期，进而形成具有15层以360nm为中心波长的单周期一维光子晶体层6。在此波段区间，峰值反射率达到99％，可实现日盲光电探测器对可见盲区280nm-380nm波段的光响应抑制。
本实施例中的日盲光电探测器的制备方法，可以制备得到光生电流较高、响应度较高、暗电流较低，且成本较低的日盲光电探测器。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种日盲光电探测器，其特征在于，包括：
衬底以及依次设置于所述衬底上的AlN缓冲层和GaN沟道层；
AlGaN势垒层，设置于所述GaN沟道层上，且所述AlGaN势垒层和所述GaN沟道层之间形成二维电子气；所述AlGaN势垒层覆盖所述GaN沟道层上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在所述阴极位置区域和所述阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构；
阴电极和阳电极，分别设置于所述阴极位置区域和所述阳极位置区域的所述AlGaN势垒层上；
一维光子晶体层，设置于所述叉指状结构的所述AlGaN势垒层上。
2.根据权利要求1所述的日盲光电探测器，其特征在于，所述一维光子晶体层包括若干交替叠设的TiO2层和MgF2层。
3.根据权利要求1所述的日盲光电探测器，其特征在于，所述一维光子晶体层包括若干交替叠设的SiO2层和Si3N4层。
4.根据权利要求2或3所述的日盲光电探测器，其特征在于，所述一维光子晶体层的交替周期为7个周期。
5.根据权利要求4所述的日盲光电探测器，其特征在于，所述叉指状结构中的叉指的宽度在5μm～10μm之间，间距在10μm～30μm之间。
6.一种日盲光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
依次在衬底上生长AlN缓冲层、GaN沟道层和初始AlGaN势垒层；
刻蚀所述初始AlGaN势垒层，以形成AlGaN势垒层，所述AlGaN势垒层覆盖所述GaN沟道层上的阴极位置区域和阳极位置区域，并在所述阴极位置区域和所述阳极位置区域之间的区域形成叉指状结构；
分别在所述阴极位置区域和所述阳极位置区域的所述AlGaN势垒层上生长阴电极和阳电极；
在所述叉指状结构的所述AlGaN势垒层上生长一维光子晶体层。
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