CN208422941U - 一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体光电器件的技术领域，更具体地，涉及一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器。包括下述步骤：首先提供具有低铝组分AlGaN/GaN的异质结材料，采用光刻显影技术及湿法腐蚀在栅极区域沉积一层掩膜层，利用选择区域外延技术生长接入区的顶层高铝组分AlGaN而获得凹槽，在两端形成源极和漏极区域并覆盖金属形成源极和漏极沉积，最后在栅极区域沉积透明的p型氧化物作为栅极对作为光学窗口。此外，通过改变栅极材料的禁带宽度可以实现对不同波长的紫外光进行探测。本实用新型工艺简单，可以很好地解决传统氮化镓基紫外探测器在增益、暗电流、及栅极吸光之间的相互制约关系，并可以与电子器件工艺兼容。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电器件的技术领域，更具体地，涉及一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器。
背景技术
紫外探测器在军事和民用方面均有很高的应用价值。军事上，紫外探测技术可用于导弹制导、导弹预警、紫外通信等领域。紫外探测技术在民用领域中，可用于紫外树脂固化、燃烧工程及紫外水净化处理中的紫外线测量、火焰探测等非常广泛的领域。因此，世界各国把紫外探测技术列为当今研究开发的重点课题。
随着宽禁带Ⅲ族氮化物半导体材料（包括GaN、AlGaN、InGaN）的研究和突破，特别是p型材料的突破，带动了各种器件的发展和应用。铝镓氮材料为直接带隙半导体，其禁带宽度在3.4eV至6.2eV间可调。因此，理论上讲，利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365 nm变化到200 nm。GaN基材料还具有很高的热导率和电子饱和速度，极高的击穿电场，稳定的物理和化学特性，用它制作的紫外探测器能很好地在高温和宇航及军事等极端条件下工作。相比于硅、砷化镓等常规半导体，GaN材料有很多优势。因此，GaN已成为紫外探测领域极具吸引力的材料。
GaN基紫外光探测器目前发展出光电导型、p-n结型、p-i-n结型、肖特基势垒型和MSM型等结构。近年，由于AlGaN/GaN或者AlGaN/AlGaN等异质结构能形成二维电子气沟道而增大器件增益，逐渐引起人们的关注。然而，高浓度的二维电子气浓度会导致大的暗电流，降低紫外/可见光拒绝比。一种改进方案是在栅极区域引入p-GaN帽层耗尽部分沟道载流子并保留接入区的沟道，从而同时提升器件的增益和拒绝比。但是，p-GaN材料同时会吸收紫外光影响器件的截止波长和增益。
发明内容
本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，可以有效实现低暗电流、高增益及低截止波长。本实用新型采用的技术方案是：利用选择区域生长技术制备叠层势垒层，接入区的高铝组分AlGaN能提升沟道载流子浓度进而提升探测器的增益，而栅极区域的低铝组分AlGaN可以降低沟道电子浓度而且可以进一步调整其生长厚度及结合p型栅极调控电子浓度以降低暗电流。通过调控栅极材料的禁带宽度可以实现对不同波长的紫外光进行探测。此外，在适当的势垒层厚度及p型栅极时，可以完全耗尽沟道电子实现阈值电压较低的常关型器件，而在光生载流子作用下可以导致阈值电压负向移动实现常开型，可以直接连接警报电路。
本实用新型的技术方案是：一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，结合选择区域生长叠层势垒层及p型透明栅极材料实现高性能，具体包括以下步骤：
S1、在衬底上生长应力缓冲层；
S2、在应力缓冲层上生长GaN外延层；
S3、在GaN外延层上生长一层低铝组分AlGaN势垒层；
S4、在低铝组分AlGaN势垒层上沉积一层SiO2掩膜层，通过光刻及湿法腐蚀的方法，只保留栅极区域的掩膜层；
S5、在接入区的低铝组分AlGaN势垒层上生长一层高铝组分AlGaN势垒层；
S6、去除栅极区域掩膜材料形成凹槽结构，露出栅极低铝组分AlGaN势垒层；
S7、干法刻蚀完成器件隔离，在源极和漏极区域蒸镀上源极和漏极欧姆接触金属；
S8、在凹槽栅极区域p型透明栅极。
具体的，所述的步骤S3-S5中生长低铝组分AlGaN/高铝组分AlGaN叠层势垒层的异质结材料；所述的步骤S8中沉积p型透明栅极作为光学窗口，并可以对沟道中载流子浓度进行调控。
具体的，所述的衬底为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
所述的应力缓冲层为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为10 nm~5μm。
所述的GaN外延层为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。
所述的AlGaN外延层为低铝组分AlGaN，铝组分浓度可在0-40%变化。
所述的AlGaN外延层为高铝组分AlGaN，AlGaN层厚度为0-50 nm，且铝组分浓度可在30-70%变化。
所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
所述的源极和漏极材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
所述的p型透明栅电极为高质量的NiO、SnO、Cu2O等材料或者其组合，厚度为1-500nm；
所述步骤S1中的应力缓冲层、步骤S2中的GaN外延层、步骤S3中的AlGaN外延层、步骤S4中的GaN外延层及步骤S5中的AlGaN外延层的生长方法为金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等高质量成膜方法；所述步骤S6中掩膜层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法。
另外，也可总结为下述的步骤：
1. 提供需要进行选择区域生长的GaN/低铝组分AlGaN异质结材料；
2. 在所述材料上沉积一介质层，形成掩膜层；
3. 在所述掩膜层上利用光刻显影技术及化学溶液只保留栅极区域的掩膜材料，显露出接入区区域；
4. 在所述掩膜图形的辅助下，实现接入区高铝组分AlGaN的外延生长。
5. 利用光刻显影技术，沉积源漏欧姆电极并在栅极区域沉积p型透明电极。
进一步的，所述的步骤1中，所述的衬底是具有不同成分的多层外延层衬底。
所述的步骤2中，介质层是通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积或者磁控溅射形成。所述介质层为SiO2或者SiN。
所述的步骤3中，所述光刻胶为正性或负性光刻胶。所述介质层去除使用的化学溶液是氢氟酸水溶液或者氢氟酸和氟化铵的混合溶液。
所述的步骤5中，所述p型栅极材料的生长为金属有机化学气相沉积法、溅射法、热氧化法或者分子束外延法。
与现有技术相比，有益效果是：本实用新型利用选择区域生长技术制备叠层势垒层，接入区的高铝组分AlGaN能提升沟道载流子浓度进而提升探测器的增益，而栅极区域的低铝组分AlGaN可以降低沟道电子浓度而容易被p型栅极调控降低暗电流。此外，通过调控栅极材料的禁带宽度可以实现对不同波长的紫外光进行探测。
附图说明
图1-8为本实用新型实施例1的器件制作方法工艺示意图。
图9为本实用新型实施例2的器件结构示意图。
图10为本实用新型实施例3的器件结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图8所示为本实施例的器件结构示意图，其结构由下往上依次包括衬底1，应力缓冲层2，GaN外延层3，低铝组分AlGaN势垒层4，高铝组分AlGaN势垒层5，两端形成源极和漏极6，p型透明栅极7，介质掩膜层8。
上述GaN基凹槽栅MOSFET的器件场效应晶体管的制作方法如图1-图8所示，包括以下步骤：
S1、利用金属有机化学气相沉积方法，在Si衬底1上生长一层应力缓冲层2，如图1所示；
S2、利用金属有机化学气相沉积方法，在应力缓冲层2上生长GaN外延层3，如图2所示；
S3、利用金属有机化学气相沉积方法，在GaN外延层3上生长低铝组分AlGaN势垒层4，如图3所示；
S4、通过等离子体增强化学气相沉积一层SiO2掩膜层8，通过光刻方法选择区域刻蚀保留栅极区域的掩膜层，如图4所示；
S5、利用金属有机化学气相沉积方法，在低铝组分AlGaN势垒层4上生长高铝组分AlGaN势垒层5，如图5所示；
S6、去除掩膜层8，形成凹槽栅极结构并完成器件隔离，如图6所示；
S7、光刻显影出源极和漏极欧姆接触区域，蒸镀上Ti/Al/Ni/Au合金作为源极和漏极的欧姆接触金属6，如图7所示；
S9、利用溅射方法，生长一层高质量的p型透明栅极7，如图8所示；
至此，完成了整个器件的制备过程。图8即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
如图9所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中势垒层为不同铝组分AlGaN材料的叠层结构，而实施例2中单一势垒层并利用干法或者湿法或者干湿结合刻蚀的方法形成凹槽结构。
实施例3
如图10所示为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1和2结构区别仅在于：实施例1和2中透明栅极为单一材料，而实施例3中利用p型透明栅极材料的叠层结构。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于，其结构由下往上依次包括衬底（1），应力缓冲层（2），GaN外延层（3），低铝组分AlGaN势垒层（4），高铝组分的AlGaN势垒层（5），两端形成源极和漏极（6），p型透明栅极（7），介质掩膜层（8）。
2.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的衬底（1）为 Si 衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的应力缓冲层（2）为AlN、AlGaN、GaN的任一种或组合；应力缓冲层厚度为10 nm~5 μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的GaN外延层（3）为非故意掺杂的GaN外延层或掺杂的高阻GaN外延层，还包括掺杂高阻层，所述掺杂高阻层的掺杂元素为碳或铁；GaN外延层厚度为100 nm~20 μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的AlGaN势垒层（5）为高铝组分AlGaN，AlGaN层厚度为0-50 nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的AlGaN势垒层材料还可以为AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的源极和漏极（6）材料为Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金、Ti/Al/Mo/Au合金或Ti/Al/Ti/TiN合金。
8.根据权利要求1所述的一种基于p型透明栅极GaN基紫外探测器，其特征在于：所述的p型透明栅极（7）为高质量的NiO、SnO、Cu2O等材料或者其组合，厚度为1-500 nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |