CN1913178A - AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构和生长方法 - Google Patents
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Abstract
AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：在蓝宝石衬底上设有厚度在50－2000nm的低温和高温GaN材料，GaN材料上分别设有15－80nm和15－100nm的5－50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜为底镜；在上述底镜上设有n－AlxGal－xN/i－GaN/p－AlxGal－xN结构的谐振腔：即设有20－80nm厚的高温n－AlxGal－xN，5－30nm厚的高温i－GaN吸收层，20－80nm厚的高温p－AlxGal－xN，Al组分x≥0.3作为探测器的谐振腔；最后是层厚分别为15－80nm和15－100nm的0－30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜即顶镜完成RCE紫外探测器结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构和生长方法，尤其是可用于航空、航天、跟踪与控制、导弹制导与预警、医疗卫生与生物工程、环境监测与预报等领域的新型AlN/AlxGa1-xN基共振增强(简称RCE)紫外射线探测器材料结构和生长方法。
背景技术
AlGaN基紫外探测器是近年来国际上III族氮化物研究的热点问题之一，它在航空及航天跟踪与控制、导弹制导与预警、医疗卫生与生物工程、环境监测与预报等领域具有极强的应用前景。为了增强紫外探测器的量子效率，采用两个平行分布式布喇格反射镜(
Distributed
Bragg
Reflectors)形成法布里-玻罗共振腔，在共振腔内设计有源层(active-layer)，通过对探测波长的调谐，形成共振腔增强型紫外探测器(
ResonantCavity-
Enhanced ultraviolet photodetectors)。由于其广泛的应用前景和优越的器件性能，各国均大力进行研发。
以GaN为代表的III-V族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(Eg＝3.39eV)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。AlN与GaN，InN一样同属宽禁带的III-V族化合物半导体，是一种重要的紫外、蓝光材料，加上它具有高的热导率、低的热膨胀系数、和压电效应等其他重要的物理性质而在电学、光学等领域有着广泛的应用前景。AlN与SiC，Al2O3。及Si间的晶格失配度分别为1％、14％和23％。在6H-SiC(0001)衬底上用减压金属有机化学气相沉积的方法生长得到的单晶AIN薄膜，它的(0001)衍射峰的半峰宽仅为0.02°、薄膜中的位错密度为1.81×108/cm2，残余应力仅有109达因//cm2。氮化铝是III-V族化合物中能带(＜6.2eV)最宽的化合物。它具有很高的声速；很高的导热性和化学稳定性；优良的绝缘性和很低的介电损耗；在可见光和近红外光范围内具有优异的光透过性，在分解温度2300℃以上仍具有很高的机械强度和硬度；具有与硅相近的低热膨胀系数。由于AlN以及高Al组分AlxGa1-xN(x≥3)材料的制备技术的困难限制了360nm以下的低波段AlxGa1-xN紫外器件的发展。GaN和AlN的禁带宽度分别为3.4和6.2eV，由GaN和AlN形成的AlGaN合金，使AlGaN的禁带宽度随Al含量的增加而从GaN的3.4eV逐渐上升，以调节发光管喝激光管发出的波长或接受波长。可以用它们制备能发出绿光、蓝光、紫光或紫外光的发光管和激光管。
随着科学技术的快速发展，对各种光电探测器性能(量子效率、带宽、响应率、噪声和灵敏度等)的要求愈来愈高。一个性能较好的光电探测器一般应具备不敏感工作波长以外的光、量子效率高、背景噪声低、响应速度快、易于集成，以获得足够多的视场或多光谱探测能力。常规的AlGaN紫外光电探测器不能同时具备高的量子效率、适当的带宽、快的响应速度和不敏感工作波长以外的光等特性，因而，越来越不能满足实际应用对探测器芯片所提出的要求，在一定程度上制约着紫外探测技术的发展。经过许多科学工作者的努力，发现了谐振增强型(RCE)光电探测器的理论基础，以及用于生产谐振腔的外延技术在工程应用上的突破使得谐振增强型光电探测器得以实现，从而实现了带宽效率优质较高的新型光电探测器。
从半导体激光器和探测器的发展进程来看，进一步降低阈值、降低噪声、提高量子效率一直是人们的追求。人们在材料制备，器件结构设计等诸多方面进行了大量的研究。把光电器件的激活区置于Febry-Perot谐振微腔内的新型光电器件已经在以GaAs和InP为代表的第二带半导体发光二极管，激光器和探测器中得到应用。具有微腔结构的电子器件可以大大提高在谐振波长附近光电器件的量子效率，提高器件的响应速度，使发射或吸收光谱变窄，改善光发射的方向性等。在微腔结构中引入高反射率的分布布拉格反射镜是解决这些问题的途径之一。
发明内容
本发明目的是：根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN探测器的结构；然后在蓝宝石衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长AlN/AlGaN共振腔增强型紫外探测器(RCE，
Resonant
Cavity-
Enhanced ultravioletphotodetectors)结构材料。提高低波段紫外探测器的量子效率，响应速度、并且使吸收以及发射光谱变窄改善器件性能。
本发明的技术解决方案是：本发明AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：蓝宝石衬底上设有厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，GaN材料上分别设有15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)；在底镜上设有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN结构的谐振腔；设有20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高温i-GaN吸收层，20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔；最后是层厚分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)完成RCE紫外探测器结构。
或再在所述高温GaN材料上再生长一层5-100nm的高温AlN插入层。
AlGaN基共振增强单色紫外探测器生长方法，根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN探测器的结构；然后进行材料结构生长；在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定温度范围500-1100℃通入载气N2，氨气以及金属有机源(三甲基Al和三甲基镓Ga)，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-10nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)；在底镜上继续生长n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN结构的谐振腔；最后在1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)完成RCE紫外探测器结构生长。
本发明的机理和技术特点：
根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN低波段(波长小于360nm)紫外探测器的结构，确定紫外探测器的材料结构。本发明申请的结构根据波长不同包括两个DBR结构(底镜和顶镜)和一个共振腔结构。底镜DBR结构为：为5-50nm厚的低温LT-GaN/50-2000nm厚的高温HT-GaN/和或包括加入一层厚度为5-100nm的高温HT-AlN/最后为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3(底镜)；顶镜DBR结构为：0-30周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3(顶镜)。共振腔结构为：20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3。尤其是10-20周期的20-50nm高温AlN/40-60nm高温AlxGa1-xN。
本发明是根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN探测器的结构；利用低压MOCVD技术生长波长在360nm以下的AlGaN/AlN半导体多层膜RCE低波段紫外探测器，实现了材料的优化生长，获得了中心波长和发射率都接近理论值的RCE探测器结构材料。并对材料结构和光学性能进行了进一步研究。申请人根据RCE探测器量子效率的分析模型方法设计和利用MOCVD生长技术在蓝宝石衬底上合成生长低波段紫外探测器结构材料。在RCE探测器结构中采用AlN和高Al组分AlGaN材料实现了紫外低波段的探测，大大提高了低波段紫外探测器的量子效率，响应速度、并且使吸收以及发射光谱变窄改善了器件性能。
本发明特点是：本发明得到的AlGaN/AlN探测器结构反射谱和本发明生长的RCEpin探测器的响应图器件对波长为320nm的紫外射线具有很强的吸收和器件的响应度。
附图说明
本发明设计生长的多层结构RCE紫外探测器以及该结构的原型器件特性如下图所示。
图1为本发明的的AlN/AlGaN基RCE紫外探测器原理图。图中R1和R2是两个反射镜的反射率，r是材料的反射系数，L是共振腔长度，a是吸收系数，d是吸收层的厚度，λ是入射光的真空波长，E是入射光，反射光的光强度。R1＝r1 2，R2＝r2 2。
根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN低波段(波长小于360nm)紫外探测器的结构，确定紫外探测器的材料结构。根据该结构确定该探测器的反射波长小于360nm。本发明申请的结构为蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)。接着以1000-1300℃生长20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔。最后以1000-1300℃生长厚度分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)。
图2为本发明根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计的AlGaN/AlN中心波段波长为330nm的紫外探测器的结构。在该结构中探测器的中心波长设计为330nm，底镜采用厚度分别为38.9nm/34.8nm的30个周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的DBR结构；共振腔的吸收层设计为厚度达63.8nm的p层Al0.35Ga0.65N隔离层/10nm厚的i层GaN/厚度为63.8nm的p层Al0.35Ga0.65N隔离层；最后设计顶镜结构为38.9nm/34.8nm的3个周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的DBR结构。
图3为本发明设计生长的RCE结构的反射谱。从谱图可以看出，该RCE探测器在320nm处出现明显的吸收峰，落在反射峰的中间。即该器件对波长为320nm的紫外射线具有很强的吸收。
图4为采用本发明的材料结构研制的RCE pin紫外探测器响应图。该探测器采用Ti/Al，Ni/Au做欧姆金属，在297nm波段，0伏偏压下器件的响应度为0.0064A/W；在323nm波段，零伏偏压情况下器件的响应度为0.005A/W。
具体实施方式
本发明根据RCE探测器量子效率的分析模型方法计算设计AlGaN/AlN低波段(波长小于360nm)紫外探测器的结构，确定紫外探测器的材料结构。器件结构模型见图1所示。根据该模型可以给出下式的器件量子效率与材料结构关系。
式中η是器件的量子效率，R1和R2是两个反射镜的反射率，L是共振腔长度，a是吸收系数，d是吸收层的厚度，β是传播常数(β＝2nπ/λ0，λ0和n分别是真空波长和材料折射率)，1和2分别表示由于光渗透到上下反射镜所引起的相变。同时，在RCE结构中上下两个DBR的反射率R1和R2必须满足表达式R1＝R2e-2αd才可能达到器件的量子效率的最大值。
本发明的结构为蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温层和高温层GaN材料，低温层和高温层GaN的厚度的大小无明显区别，一般为了蓝宝石衬底的生长底镜等结构时的晶格匹配；同样为了上述目的，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层。
接着以1000-1300℃的温度下(典型的在1100-1200℃，与现有工艺生长AlN或AlGaN相似)生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)。接着以1000-1300℃生长20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔。最后以1000-1300℃生长厚度分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)。根据该结构确定该探测器的反射波长小于360nm。本发明在蓝宝石衬底上RCE结构的优化生长条件范围见表1所示。GaN材料上分别设有15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)；在底镜上设有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN结构的谐振腔；设有20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高温i-GaN吸收层，20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔；最后是层厚分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)完成RCE紫外探测器结构。底镜上具有10-50周期的15-80nm高温AlN/和15-100nm高温AlxGa1-xN多层结构的顶镜(AlxGa1-xN中Al组分≥0.3)；
具体而言：根据该结构控制反射波长小于360nm；然后进行材料结构生长。具体结构见图2所示；在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定温度范围500-1100℃通入载气N2，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)。接着以1000-1300℃生长20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3(控制三甲基铝与三甲基镓的流量)的探测器的共振腔。最后以1000-1300℃(典型的在1200℃)生长厚度分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)。如图1、2所示。
其中，结构内具有10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm高温AlxGa1-xN多层结构，Al组分AlxGa1-xN(Al组分≥0.3)的底镜、20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔，以及15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度控制是本发明的关键。上述参数范围内，对紫外的探测响应无显著变化，尤其是x的上限可以取0.8对响应的性能亦无明显的影响。
0周期的底镜也具有对紫外的探测响应，(有类似图3的曲线)。
结构内50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层，厚度分别为15-80nm和15-100nm的10-50个周期的AlN/AlxGa1-xN多层结构的分布布拉格反射镜(底镜)。接着是20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔。最后以是厚度分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)。根据该结构确定该探测器的反射波长小于360nm。上述多层结构的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，以及生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度和温度控制也是本发明的关键。
表1.在蓝宝石衬底上生长AlN/AlGaN DBR结构的优化生长条件范围
| 生长层 | 生长温度(℃) | 压力(Torr) | V/III比 | 材料 |
| 成核层 | 500-1100 | 0-500 | - | 衬底材料 |
| 缓冲层 | 500-1100 | 0-500 | 50-3000 | 低温GaN |
| 缓冲层 | 800-1100 | 0-500 | 50-3000 | 高温GaN |
| 底镜 | AlN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 | 10-50周期 |
| AlGaN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 | ||
| 隔离层 | AlGaN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 | n-AlGaN |
| 吸收层 | 800-1100 | 0-500 | 50-3000 | i-GaN |
| 隔离层 | AlGaN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 | p-AlGaN |
| 顶镜 | AlN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 | 0-30周期 |
| AlGaN，1000-1300 | 0-500 | 50-3000 |
具体包括以下几步：
1.在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃(典型的是700℃)温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化。
2.然后在500-1100℃(典型的是600或800℃)温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在蓝宝石衬底上合成生长低温和高温5-100nm的GaN缓冲层材料。
3.再在该GaN材料上以500-1300℃(典型的是750或1000℃左右)生长15-80nm(典型的是35-40或60-65nm)厚AlN/15-100nm(典型的是35-40nm)厚AlxGa1-xN，x≥0.3的10-50周期的底镜层。如见底镜采用厚度分别为38.9nm/34.8nm的30个周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的图2的实施例。
4.生长20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN/5-30nm(典型的是35-40nm)厚的高温i-GaN吸收层/20-80nm(典型的是35-40nm)厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3的探测器的共振腔。高温n-AlxGa1-xN是电子载流子半导体，高温p-AlxGa1-xN指正载流子的半导体，i-GaN指本征半导体。
5.最后生长厚度分别为15-80nm(典型的是35-40或60-65nm)和15-100nm(对应典型的是35-40或60-65nm)的0-30个周期(典型的是20周期)的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜(顶镜)。
6.其中，结构内多层结构，AlN和高Al组分AlxGa1-xN(Al组分≥0.3)的采用，以及多层结构的层数量，各层的厚度，以及生长前的热退火工艺，热退火温度，生长材料的温度和温度控制也是本发明工艺方法需要控制的，但用于生长的方法基本上是现有技术。
Claims (5)
1、AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：其特征是在蓝宝石衬底上设有厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，GaN材料上分别设有15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜为底镜；在上述底镜上设有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN结构的谐振腔：即设有20-80nm厚的高温n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高温i-GaN吸收层，20-80nm厚的高温p-AlxGa1-xN，Al组分x≥0.3作为探测器的谐振腔；最后是层厚分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜即顶镜完成RCE紫外探测器结构。
2、根据权利要求1所述的AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：其特征是所述高温GaN材料上生长一层5-100nm的高温AlN插入层。
3、根据权利要求1所述的AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：其特征是底镜的结构为10-50周期的15-80nm高温AlN/15-100nm和高温AlxGa1-xN，其中Al组分x≥0.3。
4、根据权利要求1所述的AlGaN基共振增强单色紫外探测器结构：其特征是顶镜结构为10-20周期的20-50nm的高温AlN和40-60nm的高温AlxGa1-xN的顶镜。
5、AlGaN基共振增强单色紫外探测器生长方法，其特征是在MOCVD系统中对生长的蓝宝石衬底在500-1100℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在500-1100℃温度范围通入载气N2，氨气以及按比例流量通入三甲基Al和三甲基镓金属有机源，在蓝宝石衬底上合成生长厚度在50-2000nm的低温和高温GaN材料，或再在该GaN材料上生长一层5-10nm的高温AlN插入层，接着以1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的5-50个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜构成底镜；在底镜上继续生长n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN结构的谐振腔；最后在1000-1300℃生长层厚分别为15-80nm和15-100nm的0-30个周期的AlN/AlGaN多层结构的分布布拉格反射镜即顶镜完成RCE紫外探测器结构；Al组分在0.3与0.8之间。
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-
2006
- 2006-08-29 CN CNA2006100861059A patent/CN1913178A/zh active Pending
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