CN1632957A - 采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于砷化镓基含磷化合物半导体材料的紫外增强光电探测器及制作方法，其特征在于以半绝缘砷化镓单晶材料作为探测器的衬底，在其上采用外延方法生长特定的宽禁带含磷化合物薄膜材料作为有源光吸收层和窗口层，以达到紫外增强光吸收效果并消除其对红外光的响应，并采用合适的掺杂方式在其中构成PN结。外延材料采用特定的选择刻蚀工艺制作出台面结构，经钝化保护后制作出接触电极，并选用相应的抗反射增透膜进一步提高其短波响应。此种光电探测器可应用于火焰探测、紫外和可见光波段光度测量、尾焰跟踪、生物及化学气体检测、紫外线防护等方面，并可与红外波段的光电探测器进行单片或混合集成构成双色探测器。

Description

采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器及制作方法

技术领域

本发明涉及采用镓基含磷化合物半导体材料的紫外增强光电探测器及制作方法，更确切地说，本发明提供一种新型光电探测器，它能使光电探测器具有良好的紫外至可见光波段响应，同时充分抑制红外光响应。本发明属于半导体光电子材料与器件技术领域。

背景技术

半导体光电探测器作为一种典型的光电器件在众多场合都得到了广泛应用，其工作波段已从可见至近红外波段扩展至中红外乃至远红外波段。硅光电二极管作为一种最常用的光电探测器，在可见光至近红外波段(λ＜1.1μm)具有良好的表现，采用一些特殊的工艺技术也可以使其响应波长扩展至紫外波段，但由于探测器工作原理和材料特性的限制，其对长波方向的响应要明显大于短波响应。对一些较特殊的应用而言，人们常需要探测器在短波方向有较高的响应而抑制其在长波方向的响应以避免干扰等，对硅光电探测器而言这就需要采用较复杂的滤光结构，并以牺牲一定的短波响应和增加成本为代价，系统的整体性能也会受到很大限制。自上世纪六十年代各种新型材料特别是半导体材料获得广泛应用以来，基于半导体材料的光电器件已有了长足的发展，材料生长技术也不断进步，具有精确控制能力、适用于生长复杂结构的分子束外延(MBE)和金属有机物气相外延(MOVPE)等生长技术已开始广泛应用，各种商品化的生长设备也已推向市场，使得人们有可能采用新的材料体系来满足不同的要求。本发明人通过选择新的材料体系，提供一种满足前述要求的新型光电探测器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器及制作方法，也即提供一种新制作的紫外增强光电探测器，利用材料的固有特性完全消除其对红外光响应。并使得探测器具有高量子效率、快响应速度以及高可靠性和抗辐照能力。此种光电探测器可应用于火焰探测、紫外和可见光波段光度测量、尾焰跟踪、生物及化学气体检测、紫外线防护等方面，并可与红外光电探测器集成构成双色探测器等用于特殊场合。本发明的工作原理及其实施是普适的，

根据以上技术背景存在的问题和现实的本发明确定了探测器的材料体系并开发了相应的材料生长工艺。半导体光电探测器(量子探测器类)在长波方向上的截止波长是由探测器有源区材料的带隙确定的，为消除探测器对红外光的响应，本发明选取与砷化镓衬底晶格匹配的含磷宽禁带材料体系作为探测器的有源区材料。采用砷化镓作为衬底材料成本相对较低，材料也较成熟质量和供应都有保证。对制作双色探测器等应用而言，本发明选用不掺杂的半绝缘砷化镓材料作为衬底，在其上采用外延生长的宽禁带含磷化合物薄膜作为有源光吸收层和窗口层，并在吸收层和窗口层之间构成PN结，且探测器采用单面电极引出，这样一方面衬底对红外光是透明的(λ＞870nm直至中、远红外波段)，在集成时可以不影响下探测器的性能，另一方面对短波长(λ＜870nm)的光又是不透明的，可以对下探测器起到很好的短波截止滤光片作用，充分抑制下探测器对短波长(λ＜870nm)光的响应，这样在很多场合下就不需另加滤光片了。采用砷化镓衬底的另一优点是可以与量子阱红外探测器进行单片集成构成单片型的双色或多色探测器，对于一般应用也可采用高掺杂的N型导电衬底，这时探测器可采用双面电极结构。

与砷化镓衬底晶格匹配的含磷宽禁带材料体系包括三元系的Ga_0.51In_0.49P、Al_0.52In_0.48P和四元系的(Al_zGa_1-z)_0.51In_0.49P等，Ga_0.51In_0.49P为直接带隙材料，室温下的带隙为1.85eV，(Al_zGa_1-z)_0.51In_0.49P在0＜z＜0.55时也为直接带隙材料，其带隙随z增加在1.85-2.26eV之间可调，对应的截止波长可在670-550nm之间变化，Al_0.52In_0.48P为间接带隙材料，其带隙为2.34eV，因此可以根据探测器截止波长的不同需要对Al和Ga的相对组份进行裁剪。在此材料体系上选取不同组分的材料分别作为光吸收层和窗口层，一种方案是采用带隙相对较小的三元系GaInP作为光吸收层，带隙较大的三元系AlInP作为窗口层，以达到高量子效率和低暗电流的性能，并利用AlInP低折射率的特点，控制窗口层的厚度，使其起到一定的增透和增强短波响应的效果。采用宽禁带材料后可使探测器在光照下的输出电压有大幅度提高，短波响应也可明显改善。此材料体系还具有优良的抗辐照性能。探测器采用分子束外延(MBE)或金属有机物气相外延(MOVPE)方法生长外延材料，并在生长有源光吸收层和窗口层时进行掺杂控制以生长出具有不同导电类型的低掺杂和高掺杂区并形成PN结，我们在生长工艺中选取了较薄的高掺杂层厚度以保证探测器的高响应度和良好的短波响应。此紫外增强光电探测器可采用以下外延结构：半绝缘砷化镓材料(或硅掺杂低阻砷化镓材料)为衬底，首先在其上生长一层n型高掺杂(n＞5×10¹⁷cm^-3)的下接触层(此接触层可为掺硅砷化镓材料，它同时也作为外延缓冲层)，然后在其上生长低掺杂或非故意掺杂(n＜5×10¹⁷cm^-3)的含磷宽禁带光吸收层，再在其上生长铍p型高掺杂(p＞5×10¹⁷cm^-3)的含磷宽禁带光吸收层(也可同时包括窗口层)，最后生长一层p型高掺杂(p＞5×10¹⁷cm^-3)的上接触层(此接触层可为掺铍砷化镓材料)。

在生长出高质量的探测器材料的基础上本发明开发了探测器制作工艺及选择刻蚀工艺。探测器制作工艺中我们采用了特殊的选择刻蚀配方，由于器件结构中上下接触层均为不含磷的低阻GaAs材料，本发明利用了接触层非含磷材料及有源光吸收层和窗口层含磷材料的不同化学特性，利用湿法选择腐蚀工艺刻蚀出探测器的台面结构，并在其后制作出自对准的透光窗口，实际工艺中我们利用酒石酸系的腐蚀液(如酒石酸/双氧水体系)刻蚀GaAs材料，当遇到含磷化合物材料时刻蚀会自动停止，利用盐酸系的腐蚀液(如盐酸/磷酸体系)刻蚀含磷化合物，遇到不含磷材料时刻蚀也会自动停止，大大方便了工艺控制。所述酒石酸/双氧水体系是由酒石酸和水以1∶1体积比稀释后再加入5vol％的双氧水组成；盐酸/磷酸的体积比为1∶4，使用的盐酸等为化学纯或分析纯。

根据探测器的紫外增强响应光谱要求，探测器工艺中我们选用了对紫外光透明的低折射率材料作为增透膜材料，并根据增加短波响应的要求采用了较薄的抗反射增透膜，可达到良好的紫外增强效果。实际器件制作工艺步骤如下：首先生长出砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的外延结构，检测合格后采用光刻方法刻出台面图形，用选择腐蚀方法刻蚀出台面结构，经清洗后进行表面钝化并在钝化层上刻出进光窗口，再光刻出电极图形，采用蒸发和剥离方法制作出接触电极，经合金化后用选择腐蚀方法除去进光窗口上的GaAs上接触层，然后用蒸发方法制作抗反射增透膜并除去其不需要的部分，最后经衬底减薄抛光、划片、崩片等工艺后得到探测器管芯。探测器管芯经初步筛选后根据需要进行相应的封装，然后进行性能测试。

所述的增透膜材料的折射率范围为1.8-1.9，例如ZrO₂或Al₂O₃中一种。

所述的外延结构生长包括：

(1)首先在GaAs衬底上生长高掺杂Si的n型低阻GaAs下接触层；

(2)在步骤(1)生长的下接触层上生长低掺杂Si或不掺杂Si的含磷化合物光吸收层；

(3)在步骤(2)生长的吸收层上生长高掺杂Be的P型含磷化合物的光吸收层，然后在其上生长高掺杂的P型含磷的化合物窗口层；

(4)最后在步骤(3)生长的窗口层上生长高掺杂的P型低阻GaAs上接触层；

此种新型紫外增强光电探测器在火焰探测、光度测量、尾焰跟踪、生物及化学气体检测以及紫外线防护等方面都可发挥重要作用。例如：采用AlInP/GaInP/GaAs外延结构的探测器(如实施例1及附图4所示)的光谱响应与人眼的视觉敏感光谱响应(及标准C.I.E曲线)十分吻合，因此此探测器可直接应用于照度测量；再如：此探测器在蓝、绿光波长上有很好的响应并扩展到近紫外波段，因此也是合适的尾焰跟踪(如导弹双色制导)和火焰探测器件。

附图说明

图1是本发明提供的基于砷化镓基含磷化合物半导体材料的紫外增强光电探测器的示意图。图中1：半绝缘砷化镓衬底，2：宽禁带含磷光吸收层，3：窗口层，4：PN结，5：钝化层，6：下接触层，7：下电极，8：上电极，9：增透膜，10：上接触层

图2为按实施例1制作的AlInP/GaInP/GaAs紫外增强光电探测器的典型I-V特性

图3为按实施例1制作的AlInP/GaInP/GaAs紫外增强光电探测器在零偏压附近的I-V特性

图4为按实施例1制作的AlInP/GaInP/GaAs紫外增强光电探测器的响应光谱(虚线为人眼视觉敏感标准C.I.E曲线)

具体实施方式

下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性的特点和显著的进步，但绝非限制本发明，即本发明绝非仅局限于实施例。

实施例1：

采用气态源分子束外延(GSMBE)方法生长Al_0.52In_0.48P/Ga_0.51In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器

一、制作实施步骤：

1.采用气态源分子束外延(GSMBE)方法生长Al_0.52In_0.48P/Ga_0.51In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器材料。首先根据晶格匹配条件确定Ga_0.51In_0.49P和Al_0.52In_0.48P单层材料的生长工艺，在470℃的衬底温度和450Torr的P源压力及850℃In束源温度的条件下确定Ga和Al的束源温度使GaInP和AlInP单层材料与GaAs衬底的失配度控制在+5×10^-4左右，生长速率控制在0.5-1μm/h。在此过程中同时确定Be掺杂温度使载流子浓度＞1E18cm^-3。2.在优化的生长条件下生长探测器的器件结构。首先生长厚度0.8-1.5μm的高掺Si(n＞5×10¹⁷cm^-3)n型低阻GaAs下接触层，在其上生长厚度为0.5-1μm的低掺Si(n＜5×10¹⁷cm^-3)或不掺杂n型Ga_0.51In_0.49P光吸收层，具体厚度可根据具体器件要求确定(希望抑制长波响应时可选用较薄的外延层，但量子效率会有所降低)；再在其上生长厚度为30nm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型Ga_0.51In_0.49P光吸收层，然后在其上生长厚度为20-30nm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型Al_0.52In_0.48P窗口层，最后生长厚度为0.2-0.5μm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型低阻GaAs上接触层。

3.生长好的外延片经显微镜检、结构特性(X-ray测量晶格匹配等)和电学特性(电化学C-V测量载流子浓度等)检测合格后进行器件工艺制作。先采用光刻方法刻出台面图形，用选择腐蚀方法刻蚀出台面结构，经清洗后进行表面钝化并在钝化层上刻出进光窗口，再光刻出电极图形，采用蒸发和剥离方法制作出接触电极，经合金化后用选择腐蚀方法除去进光窗口上的GaAs上接触层，然后用蒸发方法制作抗反射增透膜并除去其不需要的部分，最后经衬底减薄抛光、划片、崩片等工艺后得到探测器管芯。

4.探测器管芯经初步筛选后根据需要进行相应的封装，制成探测器。

二、探测器的特性：

图2为采用以上工艺制作的Al_0.52In_0.48P/Ga_0.51In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器的典型I-V特性，其击穿电压＞5V，0.5V反偏压下的暗电流小于5pA，图3为其在零偏压附近的I-V特性，其零偏电阻R₀高达8×10⁴MΩ。图4为探测器的响应光谱，响应波长范围为250-650nm，峰值响应波长约580nm.与硅光电探测器相比，本实施例提供的探测器对红外光的响应已被完全抑制，光照下的输出电压也有大幅度提高。

实施例2：

采用GSMBE生长方法生长Al_0.52In_0.48P/Al_0.28Ga_0.23In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器

制作实施步骤：

1.采用气态源分子束外延(GSMBE)方法生长Al_0.52In_0.48P/Al_0.28Ga_0.23In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器材料。首先根据晶格匹配条件确定Al_0.28Ga_0.23In_0.49P和Al_0.52In_0.48P单层材料的生长工艺，在470℃的衬底温度和450Torr的P源压力及850℃In束源温度的条件下确定In、Ga和Al的束源温度使AlGaInP和AlInP单层材料与GaAs衬底的失配度控制在+5×10^-4左右，生长速率控制在0.5-1μm/h。在此过程中同时确定Be掺杂温度使载流子浓度＞1E18cm^-3。

2.在优化的生长条件下生长探测器的器件结构。首先生长厚度0.8-1.5μm的高掺Si(n＞5×10¹⁷cm^-3)n型低阻GaAs下接触层，在其上生长厚度为0.5-1μm(根据具体器件要求)的低掺Si(n＜5×10¹⁷cm^-3)或不掺杂的n型Al_0.28Ga_0.23In_0.49P光吸收层，再在其上生长厚度为30nm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型Al_0.28Ga_0.23In_0.49P光吸收层，然后在其上生长厚度为20-30nm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型Al_0.52In_0.48P窗口层，最后生长厚度为0.2-0.5μm的高掺Be(p＞5×10¹⁷cm^-3)p型低阻GaAs上接触层。

3.生长好的外延片经显微镜检、结构特性(X-ray测量晶格匹配等)和电学特性(电化学C-V测量载流子浓度等)检测合格后进行器件工艺制作。先采用光刻方法刻出台面图形，用选择腐蚀方法刻蚀出台面结构，经清洗后进行表面钝化并在钝化层上刻出进光窗口，再光刻出电极图形，采用蒸发和剥离方法制作出接触电极，经合金化后用选择腐蚀方法除去进光窗口上的GaAs上接触层，然后用蒸发方法制作抗反射增透膜并除去其不需要的部分，最后经衬底减薄抛光、划片、崩片等工艺后得到探测器管芯。

4.探测器管芯经初步筛选后根据需要进行相应的封装，制成探测器。

经测定，采用以上工艺制作的Al_0.52In_0.48P/Al_0.28Ga_0.23In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器的截止波长可比Al_0.52In_0.48P/Ga_0.51In_0.49P/GaAs紫外增强光电探测器进一步减小，探测器对红外光的响应可被完全抑制，对红光的响应也可部分抑制，紫外增强效果可进一步加强。

Claims (10)

1、一种采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器，其特征在于采用掺杂的半绝缘砷化镓单晶材料作为探测器的衬底，在其上采用外延生长的宽禁带含磷化合物薄膜作为有源光吸收层和窗口层，并在吸收窗和窗口层之间构成PN结，且采用单面电极引出。

2、按权利要求1所述的采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器，其特征在于所述的宽禁带含磷化合物是三元系的Ga_0.51In_0.49P、Al_0.52In_0.48P或四元系的(Al_zGa_1-z)_0.51In_0.49P，0＜Z＜0.55。

3、按权利要求2所述的采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器，其特征在于所述的Ga_0.51In_0.49P、Al_0.52In_0.48P为直接带隙材料，室温下的带隙材料为1.85eV；(Al_zGa_1-z)_0.51In_0.49P为间接带隙材料，带隙为2.34eV。

4、按权利要求1所述的采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器，其特征在于作为探测器的衬底或为高掺杂的N型导电衬底，探测器采用双面电极结构。

5、制作如权利要求1所述的采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的方法，其特征在于具体制作步骤是：

(1)首先在GaAs衬底上生长高掺杂Si的n型低阻GaAs下接触层；

(2)在步骤(1)生长的下接触层上生长低掺杂Si或不掺杂Si的含磷化合物光吸收层；

(3)在步骤(2)生长的吸收层上生长高掺杂Be的P型含磷化合物的光吸收层，然后在其上生长高掺杂的P型含磷的化合物窗口层；

(4)最后在步骤(3)生长的窗口层上生长高掺杂的P型低阻GaAs上接触层；

(5)在步骤(1)～(4)生长好的外延片经检测后进行器件工艺制作，先采用光刻方法刻出台面图形，用选择腐蚀方法刻蚀出台面结构，经清洗后进行表面钝化并在钝化层上刻出进光窗口，再光刻出电极图形，采用蒸发和剥离方法制作出接触电极，经合金化后用选择腐蚀方法除去进光窗口上的GaAs上接触层，然后用蒸发方法制作抗反射增透膜并除去其不需要的部分，最后经衬底减薄抛光、划片、崩片等工艺后得到探测器管芯；

(6)探测器管芯经初步筛选后根据需要进行相应的封装，制成探测器。

6、按权利要求5所述的采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的制作方法，其特征在于外延片生长步骤(1)～(4)中：

(1)所述的高掺杂Si的n型下接触层厚度为0.8-1.5μm，掺杂浓度为大于5×10¹⁷cm^-3；

(2)所述的低掺杂Si或不掺杂的n型含磷化合物，光吸收厚度为0.5-1μm，低掺杂Si浓度为小于5×10¹⁷cm^-3；

(3)所述的在低掺杂Si或不掺杂Si的光吸收层上再生长高掺Be的P型含磷化合物厚度为30nm，掺杂Be的浓度为大于5×10¹⁷cm^-3；

(4)所述的窗口层为高掺Be的p型含磷化合物，生长厚度为20-30nm，掺杂Be的浓度为大于5×10¹⁷cm^-3；

(5)所述的上接触层厚度为0.2-0.5μm，掺杂Be的浓度为大于5×10¹⁷cm^-3。

7、按权利要求5或6所述的采用采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的制作方法，其特征在于外延生长是采用分子束外延或金属有机物气相外延方法中一种。

8、按权利要求5或6所述的采用采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的制作方法，其特征在于光吸收层的材料为Ga_0.51In_0.49P或(Al_zGa_1-z)_0.51In_0.49P，0＜Z＜0.55中一种，窗口材料为Al_0.52In_0.48P，增透膜材料的折射率为1.8-1.9的ZrO₂或Al₂O₃中一种。

9、按权利要求5所述的采用采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器的制作方法，其特征在于选择腐蚀时利用酒石酸/双氧水腐蚀液刻蚀GaAs材料，遇到含磷化合物材料时刻蚀自动停止；利用盐酸/磷酸体系刻蚀含磷化合物，遇到不含磷化合物时刻蚀自动停止。

10、按权利要求1所述的采用采用砷化镓基含磷材料的紫外增强光电探测器，应用于火焰探测，光度测量、尾焰跟踪、紫外线防护及生物与化学气体检测方面。

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