CN1753191A - 基于氮化镓半导体的紫外线光检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于氮化镓半导体的紫外线光检测器结构。此结构在基板上从下往上顺序包含n型接触层、光吸收层、光穿透层、与p型接触层。这些半导体层均由氮化铝镓铟的四元化合物半导体材料所构成。通过改变这些材料的铝、镓、铟成份的组成，这些半导体层一方面可以具备所需的能隙，因而针对特定波长的紫外线光反应可以特别灵敏。另一方面，这些半导体层得以具备匹配的晶格常数，因而可以避免应力过大的相关问题，同时得到更高品质晶格结构的紫外线光检测器。此结构进一步包含位于p型接触层上的正电极、光穿透欧姆接触层、与抗反射层，以及位于n型接触层上的负电极。

Description

基于氮化镓半导体的紫外线光检测器

技术领域

本发明涉及一种紫外线光检测器，特别是有关使用氮化镓化合物半导体的紫外线光检测器结构。

背景技术

目前，能将光讯号转换为电讯号的光检测器(Photo Detector)的常规做法有三种，分别是采用真空管的光倍增管(Photo Multiplier，PMT)、使用硅材料的光检测器以及使用氮化镓化合物半导体的光检测器。

在这三种做法之中，光倍增管的成本高、需要高操作电压、而且真空管容易破碎。而硅光检测器则具有制作容易、成本低廉、与低操作电压等特性。虽然，硅光检测器对较大波长的可见光与红外线光的侦测有相当优良的效能，但对较短波长的紫外线则敏感度较低。相对地，以氮化镓化合物为材料的光检测器，因为材料可以具有较大的能隙(Band Gap)，因此非常适合紫外线光的侦测。而且，通过控制氮化镓化合物的组成来改变其能隙，可以制作出针对特定波长范围的紫外线光的光检测器。

图1是氮化镓紫外线光检测器的反应曲线图。如图1所示，氮化镓紫外线光检测器特别在300～370nm的紫外线光波长范围有相当快速的反应，这是常规的硅光检测器所无法达到的。因此在需要快速反应的应用环境，氮化镓紫外线光检测器可以提供优异的性能。

常规的氮化镓半导体装置的常见的问题之一是相邻半导体层之间的晶格常数差异过大。因为此晶格结构的不同而造成的过大应力常使得半导体装置的磊晶结构不良，进而影响其效能性能。此外，氮化镓紫外线光检测器一方面要有足够大的能隙以反应特定波长范围的紫外线光，而其与电极接触处的能隙又不能太大，才能得到较佳的欧姆接触。另外，如何减少紫外线光被氮化镓紫外线光检测器的表面所反射以及如何提高其光电转换特性，也是氮化镓紫外线光检测器能否具有实用价值所需要解决的问题。

发明内容

本发明提出一种氮化镓紫外线光检测器的结构，可以实际解决前述相关技术中的限制及缺陷。

本发明提出氮化镓紫外线光检测器结构，基板从下往上顺序包含n型接触层、光吸收层、光穿透层和p型接触层。这些半导体层均由具有特定组成的氮化铝镓铟(Al_aGa_bIn_1-a-bN，0≤a，b≤1，a+b≤1)的四元化合物半导体材料所构成。通过改变这些材料的铝、镓、铟成份的组成，这些半导体层一方面可以具备所需的能隙、载子浓度与迁移率，因而针对特定波长的紫外线光反应可以特别灵敏。另一方面，这些半导体层可具备匹配的晶格常数，因而可以避免应力过大的相关问题，同时得到更高品质晶格结构的紫外线光检测器。

此结构进一步包含位于p型接触层上的正电极、光穿透欧姆接触层和抗反射层，以及位于n型接触层上的负电极。此抗反射层对紫外线光波长范围(小于365nm)的光的反射率小于30％，使得绝大部份的光可透过光穿透欧姆接触层进入氮化镓紫外线光检测器。

附图说明

附图表示作为具体呈现本说明书所描述的各组成组件的具体实施例，并解释本发明的主要目的以增进对本发明的了解。

图1是氮化镓紫外线光检测器的反应曲线图。

图2是本发明的紫外线光检测器结构的第一实施例的示意图。

图3是本发明的紫外线光检测器结构的第二实施例的示意图。

图4是本发明的紫外线光检测器结构的第三实施例的示意图。

图5是本发明的紫外线光检测器结构的第四实施例的示意图。

图中

10  基板

20  n型接触层

30  负电极

32  光吸收层

34  光吸收层

36  光吸收层

38  光吸收层

40  光穿透层

50  p型接触层

60  正电极

62  光穿透欧姆接触层

64  抗反射层

具体实施方式

图2是本发明的紫外线光检测器结构的第一实施例的示意图。如图2所示，此实施例是以C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化铝单晶(Sapphire)或碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)为基板10，其它可用于基板10的材质还包括Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl₂O₄)，或是晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物，然后在此基板10的一侧面形成n型接触层20，此n型接触层20是由有n型掺杂、具有特定组成的Al_aGa_bIn_1-a-bN(0≤a，b≤1，a+b≤1)构成、厚度介于3000～40000之间、成长温度介于700℃～1200℃之间。然后，在此n型接触层20之上形成光吸收层32，此光吸收层32是由未掺杂的、具有特定组成的Al_cGa_dIn_1-c-dN(0≤c，d≤1，c+d≤1)构成、厚度介于100～10000之间、成长温度介于700℃～1200℃之间、而且覆盖部份n型接触层20的表面。通过调整其Al、Ga以及In的材料组成，光吸收层32具有大于3.4电子伏特(eV)的能隙，因此能敏锐感测位于紫外线光波长范围(300nm≤λ≤370nm)的光线。在n型接触层20表面未被覆盖的部份，此实施例另外形成由Ti与Al合金所构成的负电极30。

此实施例接着在光吸收层上形成光穿透层40，此光穿透层40是由多个层(≥2)的叠层所构成的超晶格结构，其中，每一叠层都包含二层、厚度均介于50～200之间以及成长温度均介于700℃～1200℃之间的单层。此二单层分别由具有特定组成与p型掺杂的Al_eGa_fIn_1-e-fN和Al_gGa_hIn_1-g-hN(0≤e，f，g，h≤1，e+f≤1，g+h≤1)构成。超晶格结构具有高载子浓度以及高载子迁移率，因此，本发明的紫外线光检测器具有相当优异的电特性。

接着在光穿透层40上方，此实施例接着形成p型接触层50，此P型接触层50是由有P型掺杂、具有特定组成的Al_iGa_jIn_1-i-jN(0≤i，j≤1，i+j≤1)构成、成长温度介于700℃～1200℃之间。由于P型接触层50的能隙不能太宽以与电极形成良好的欧姆接触，而又为避免窄能隙氮化物材质吸光的问题，P型接触层50的厚度系介于20～2000之间。

在P型接触层50上方，此实施例进一步分别形成互不重叠的正电极60与光穿透欧姆接触层62。正电极60是由Ni与Au的合金构成。光穿透欧姆接触层62可以是厚度介于20～200之间的金属导电层，或是厚度介于200～3000之间的透明导电氧化层。此金属导电层可以是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWN_x(x≥0)、Wsi_y(y≥0)等其中之一、或其它类似金属材料构成。此透明导电氧化层可以是由ITO、CTO、ZnO：Al、ZnGa₂O₄、SnO₂：Sb、Ga₂O₃：Sn、AgInO₂：Sn、In₂O₃：Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂等其中之一、或其它类似材料构成。

在光穿透欧姆接触层62之上，此实施例接着形成未与正电极60重叠的抗反射层64，以避免紫外线的入射光在此检测器表面被反射。此抗反射层64可由SiO₂、SiN₄、TiO₂等材料之一构成，或是由SiO₂/TiO₂的分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)构成。此抗反射层64对紫外线光波长范围的光的反射率小于30％。

图3是本发明的紫外线光检测器结构的第二实施例的示意图。如图3所示，此实施例和第一实施例有相同的结构与成长方式。唯一的差别是在光吸收层所用的材质。在此实施例中，n型接触层20之上形成的光吸收层34是由有铟掺杂、具有特定组成的Al_mGa_1-mN(0≤m≤1)构成。由于有铟掺杂的氮化物易使界面平整的特性，此光吸收层34除了具有第一实施例的优点外，其磊晶品质可以更为提高。

图4是本发明的紫外线光检测器结构的第三实施例的示意图。如图4所示，此实施例和第一、第二实施例有相同的结构与成长方式。唯一的差别是在光吸收层的结构、材质和成长方式。在此实施例中，n型接触层20之上形成的光吸收层36是由多层的叠层所构成的超晶格结构，其中每一叠层都包含二层、厚度均介于50～200之间以及成长温度均介于700℃～1200℃之间的单层。此二单层分别具有特定组成与未掺杂的Al_pGa_qIn_1-p-qN和Al_rGa_sIn_1-r-sN(0≤p，q，r，s≤1，p+q≤1，r+s≤1)构成。此光吸收层36的整体厚度系介于100～10000之间。此实施例采用超晶格结构的光吸收层36，一方面可以避免前二实施例采用高铝含量氮化物的单层厚膜的裂解(Crack)问题，另一方面高铝含量氮化物超晶格结构所能达到的更宽能隙可对更短波长(λ≈300nm)的紫外线光达到快速反应的目的。

图5是本发明的紫外线光检测器结构的第四实施例的示意图。如图5所示，此实施例和第三实施例有相同的结构与成长方式。唯一的差别是在光吸收层所用的材质。在此实施例中，n型接触层20之上形成的光吸收层38是由多层的叠层所构成的超晶格结构，其中每一叠层都包含二层、分别由具有特定组成与有铟掺杂的Al_uGa_1-uN和Al_wGa_1-wN(0≤u，w≤1)构成。此超晶格结构的光吸收层38可避免因高含铝量氮化物的单层厚膜裂解的问题，另一方面，利用有铟掺杂氮化物易使接口平整化的特性来改善此氮化铝镓吸收层的磊晶品质，并利用高铝含量的氮化物半导体材质宽能隙的特性，使检测器对更短波长(λ≈300nm)的紫外线光反应快速。

以上所述内容仅用于解释本发明的较佳实施例，并非试图对本发明作任何形式上的限制，所以，凡是在相同的发明精神下对本发明所作的任何修改或变更，都仍应包括在本发明意图保护的范畴内。

Claims (7)

1.一种氮化镓系紫外线光检测器结构，包括：

基板，由氧化铝单晶(Sapphire)、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl₂O₄)和晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物之一制成；

n型接触层，位于该基板的一侧面上，由有n型掺杂、具有特定组成的Al_aGa_bIn_1-a-bN构成，0≤a，b≤1，a+b≤1，厚度介于3000～40000之间；

光吸收层，位于该n型接触层之上且覆盖其部份表面，由Al_xGa_yIn_1-x-yN材料构成，0≤x，y≤1，x+y≤1，厚度介于100～10000之间，具有大于3.4电子伏特的能隙；

负电极，位于该n型接触层、未被该光吸收层覆盖的表面上，由Ti与Al合金构成；

光穿透层，位于该光吸收层之上，由多层的叠层构成的超晶格结构，具有大于该光吸收层的能隙，其中该每一叠层均包含二层、厚度均介于50～200之间、分别由具有特定组成与有p型掺杂的Al_eGa_fIn_1-e-fN与Al_gGa_hIn_1-g-hN构成的单层，0≤e，f、g、h≤1，e+f≤1，g+h≤1；

p型接触层，位于该光吸收层之上，由有P型掺杂、具有特定组成的Al_iGa_jIn_1-i-jN构成，0≤i，j≤1，i+j≤1，厚度介于20～2000之间；

光穿透欧姆接触层，位于该p型接触层之上且覆盖其部份表面，厚度介于20～200之间的金属导电层和厚度介于200～3000之间的透明导电氧化层两者之一；

正电极，位于该p型接触层之上、未被该光穿透欧姆接触层覆盖的表面上，由Ni与Au合金构成；以及

抗反射层，位于该光穿透欧姆接触层之上，由SiO₂、SiN₄、TiO₂以及SiO₂/TiO₂的分布式布拉格反射器其中之一构成。

2.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该光吸收层是由未掺杂、具有特定组成的Al_cGa_dIn_1-c-dN构成，0≤c，d≤1，c+d≤1。

3.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该光吸收层是由有铟掺杂、具有特定组成的Al_mGa_1-mN构成，0≤m≤1。

4.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该光吸收层是由多层的叠层所构成的超晶格结构，其中，该每一叠层均包含二层、厚度均介于50～200之间、分别是由具有特定组成与未掺杂的Al_pGa_qIn_1-p-qN与Al_rGa_sIn_l-r-sN所构成的单层，0≤p，q，r，s≤1，p+q≤1，r+s≤1。

5.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该光吸收层是由多层的叠层所构成的超晶格结构，其中，该每一叠层均包含二层、厚度均介于50～200之间、分别由具有特定组成与有铟掺杂的Al_uGa_1-uN和Al_wGa_1-wN所构成的单层，0≤u，w≤1。

6.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该金属导电层是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWN_x、Wsi_y其中之一构成的，x≥0，y≥0。

7.根据权利要求1的所述氮化镓紫外线光检测器结构，其中，该透明导电氧化层是由ITO、CTO、ZnO：Al、ZnGa₂O₄、SnO₂：Sb、Ga₂O₃：Sn、AgInO₂：Sn、In₂O₃：Zn、CuAlO₂、LaCuOS、NiO、CuGaO₂、SrCu₂O₂其中之一所构成。

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