專利名稱：提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法及探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電探測器，尤其是高響應(yīng)度的氮化鎵(GaN)等光導(dǎo)型紫外光電探測器及其制備方法。
背景技術(shù)：
90年代以來，半導(dǎo)體III族氮化物GaN、AlN、InN及其合金AlGaN、InGaN等寬帶隙材料和器件的應(yīng)用研究和發(fā)展很快。紫外光電探測器是其中的一種器件?，F(xiàn)有的探測器的結(jié)構(gòu)主要分為光導(dǎo)型和光伏型(含p-n結(jié)、肖特基結(jié)等)兩大類，探測器的襯底材料有蘭寶石(sapphire)、硅(Si)等。吸收區(qū)材料為GaN、AlGaN、InGaN等，以獲得不同波長范圍的響應(yīng)。材料的生長方法主要是采用金屬有機(jī)化合物氣相淀積(MOCVD)和分子束外延(MBE)。美國專利NS5847397給出了一種以蘭寶石為襯底材料的氮化物光導(dǎo)型光電探測器，但其探測靈敏度仍可以提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度的方法，尤其是通過提供氮化鋁(AlN)作為寬帶隙窗口材料以獲得高響應(yīng)度氮化鎵(GaN)等光導(dǎo)型紫外光電探測器及其制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度的方法，其特征是在蘭寶石襯底材料上外延生長1200-2200nm厚度的GaN和15-50nm厚度的AlN，并在最上層AlN材料上設(shè)有導(dǎo)電電極。
在上述條件下，在AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可以獲得強(qiáng)的方向指向襯底的極化電場(polarization electric-field)。本發(fā)明也用于GaN基AlxGa1-xN、AlxInyGa1-x-yN材料光導(dǎo)型光電探測器及其制備方法。材料的禁帶寬度低于AlN的禁帶寬度。
具有氮化鋁(AlN)寬帶隙窗口材料的氮化鎵(GaN)高響應(yīng)度光導(dǎo)型紫外探測器，以蘭寶石為襯底，以低溫GaN(或低溫AlN)為緩沖層，外延生長GaN光吸收區(qū)材料，緊接著在GaN層上生長AlN異質(zhì)結(jié)構(gòu)頂層窗口材料，制備成垂直入射的光導(dǎo)型探測器(見附圖1)。AlN的禁帶寬度比GaN的寬，不會(huì)影響GaN吸收區(qū)對光的吸收，利用AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)所特有的強(qiáng)的自發(fā)、壓電極化效應(yīng)所產(chǎn)生的強(qiáng)極化電場在空間上有效分離光生電子-空穴對，光生電子落入AlN/GaN界面的電子阱中，在輸運(yùn)過程中可以降低其直接復(fù)合損失，從而提高光生載流子壽命；光生電子在勢阱中的遷移率也得到了提高；此外，GaN上外延生長的AlN可以降低GaN的表面態(tài)，在外加工作偏壓下載流子流向伸入到內(nèi)部GaN的金屬電極處，可減少載流子的表面復(fù)合。以上諸因素使得光生載流子在器件內(nèi)部的損失大大減少，從而提高了探測器的探測靈敏度—“響應(yīng)度”。
在蘭寶石襯底上生長AlN/GaN材料一般是采用MOCVD方法(也可以用其它如分子束外延等)，c-面(0001)蘭寶石為襯底，經(jīng)常規(guī)清洗后，放入反應(yīng)室內(nèi)，經(jīng)預(yù)處理、緩沖層生長、外延層生長三個(gè)階段完成材料生長。生長氣源為三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)、氨氣(NH3)，載氣為氫氣(H2)。緩沖層和外延層的生長氣源流量、溫度、生長時(shí)間(決定材料結(jié)構(gòu)的組分、厚度)均以常規(guī)方法控制。
本發(fā)明提出的新的光導(dǎo)型光電探測器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是本發(fā)明是基于III族氮化物異質(zhì)結(jié)特有的強(qiáng)極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度的，用極化很強(qiáng)的AlN作為寬帶隙窗口材料的GaN光導(dǎo)型探測器比沒有用該窗口材料GaN單層結(jié)構(gòu)探測器的響應(yīng)度將大幅提高，例如此探測器在360nm峰值波長、3.0V偏壓下的響應(yīng)度為2430A/W，在5.0V偏壓下的峰值響應(yīng)度為4220A/W，而同樣條件下制備的GaN單層結(jié)構(gòu)探測器在363nm峰值波長、3.0V偏壓下的響應(yīng)度僅為206A/W，在5.0V偏壓下的峰值響應(yīng)度為542A/W。這兩種探測器在上述條件下比較得出，本發(fā)明探測器的響應(yīng)度在3.0V下提高了約11.8倍，在5.0V下提高了約7.8倍(見附圖2，3)。本發(fā)明其原理是從能帶工程出發(fā)，選擇了III族氮化物中極化最強(qiáng)的AlN做為GaN吸收層的寬帶隙窗口材料，借助AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)極化電場，強(qiáng)烈地調(diào)節(jié)了GaN的能帶，使GaN光吸收區(qū)中產(chǎn)生的光生電子-空穴對實(shí)現(xiàn)有效、迅速的空間分離，大大減小其直接復(fù)合，從而提高光生載流子壽命；光生電子落在勢阱中輸運(yùn)其遷移率也得到了提高，有利于響應(yīng)度的增大。此外，AlN鈍化了GaN的表面態(tài)，且多層金屬通過一定時(shí)間的快熱退火將器件的電極穿過AlN伸入到內(nèi)部的GaN層，也減少了載流子的表面復(fù)合，提高了收集效率。因此，本器件的響應(yīng)度比沒有AlN窗口層的GaN探測器有了大幅提高。


圖1為本發(fā)明有AlN窗口層的GaN光導(dǎo)型紫外探測器器件的結(jié)構(gòu)剖面示意2為本發(fā)明光電探測器和GaN單層探測器在3.0V偏壓下的典型光電響應(yīng)譜3為本發(fā)明光電探測器和GaN單層探測器的峰值響應(yīng)度與外加偏壓的關(guān)系圖具體實(shí)施方式
如圖所示，圖1中AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)紫外光電探測器，在c-面(0001)蘭寶石襯底材料上依次生長低溫GaN(LT-GaN)緩沖層、高溫GaN(HT-GaN)吸收層、AlN窗口層，并在頂層AlN材料上設(shè)有導(dǎo)電電極。GaN緩沖層、GaN吸收層、AlN窗口層的厚度分別為15-25nm、1200-2200nm、15-50nm。在上述條件下在AlN/GaN界面均可以獲得方向指向襯底的強(qiáng)極化電場。
生長方法是以蘭寶石為襯底，以低溫GaN(厚度為15-25nm)或AlN(厚度為15-25nm)為緩沖層，在緩沖層即圖中LT-GaN上生長GaN外延層(厚度為1200-2200nm)作為光吸收區(qū)，再在GaN上外延生長AlN窗口層(厚度為15-50nm)。
生長工藝為氣源為高純?nèi)谆?TMG)、高純?nèi)谆X(TMA)、高純氨氣(NH3)，載氣為高純氫氣(H2)。
低溫GaN緩沖層的生長及退火TMG(三甲基鎵)流量10-15sccm，NH3流量2-5slm，H2流量2-4slm溫度450-500℃時(shí)間120-150sec壓力750Torr退火H2流量1.0slm；NH3流量3.5slm；溫度930℃；時(shí)間3min吸收層GaN的生長TMG流量30-50sccm，NH3流量3.0-4.0slm，H2流量0.5-1slm溫度1050-1100℃時(shí)間30-70min壓力750Torr窗口層AlN的生長及退火AlN窗口層厚度為15-50nm。
TMA(三甲基鋁)流量5-15sccm，NH3流量3-5slm H2流量0.5-1slm溫度1050-1100℃，時(shí)間100-400sec壓力760Torr熱退火NH3流量3.5slm；溫度1080℃；時(shí)間4min本發(fā)明實(shí)施例的條件更佳的條件是，下述條件所得到的樣品為所測試圖給出TMA流量10-12sccm；NH3流量3-4slm；H2流量0.5-0.8-slm；溫度1080℃-1100℃；時(shí)間300-350sec。
本發(fā)明實(shí)施例的條件還包括下述二個(gè)條件TMA流量6、15sccm，NH3流量3、5slmH2流量0.8、1slm；溫度1050和1100℃；時(shí)間150、375sec；也能得到與測試圖類似的結(jié)果。
本發(fā)明AlN窗口層GaN高響應(yīng)紫外光電探測器器件的制備，采用AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，頂層有金屬電極。圖1中電極為Ti/Al/Ni/Au多層金屬電極。電極圖形為叉指形，典型電極條寬為10μm，長為550μm，電極間距為5-20μm，可以設(shè)計(jì)多個(gè)子單元并聯(lián)，以增大管芯輸出光生電流。電極金屬采用多層金屬以獲得良好的歐姆接觸，Ti/Al/Ni/Au的典型厚度依次為30/100/40/200nm，用電子束蒸發(fā)獲得。金屬電極圖形采用光刻技術(shù)和正膠剝離技術(shù)制備。金屬電極的合金化在高純N2中，900℃，10-50秒的條件下使金屬電極通過AlN表層伸入到下面的GaN。由于本發(fā)明GaN及AlN材料的能帶為寬的直接帶隙，因此，適用于紫外波段的光電探測器器件。
權(quán)利要求
1.提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，光導(dǎo)型紫外光電探測器的基礎(chǔ)上，其特征是在GaN表面設(shè)有AlN窗口材料，在頂層AlN材料上設(shè)有導(dǎo)電電極。
2.由權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，其特征是在蘭寶石襯底材料上生長下述結(jié)構(gòu)的材料AlN/GaN。
3.由權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，其特征是GaN、AlN的厚度分別1200-2200nm、15-50nm。
4.由權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，其特征是在GaN表面設(shè)有AlN窗口材料生長條件是，在真空條件下，TMA流量5-15sccm，NH3流量3-5slm，H2流量0.5-1slm；溫度1050-1100℃，生長時(shí)間100-400sec。
5.由權(quán)利要求1所述的提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，其特征是以c-面(0001)蘭寶石為襯底，經(jīng)常規(guī)清洗后，放入反應(yīng)室內(nèi)采用MOCVD方法生長，經(jīng)預(yù)處理、緩沖層生長、外延層生長三個(gè)階段完成材料生長；生長氣源為三甲基鎵(TGM)、三甲基鋁(TMA)、氨氣(NH3)，載氣為氫氣(H2)；其特征是用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au多層金屬作為電極，金屬電極的圖形采用光刻技術(shù)和正膠剝離技術(shù)制備，金屬電極在純N2中，900℃、10-50秒的合金化條件下使金屬電極通過AlN頂層伸入到下面的GaN層。
6.氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器，其特征是在蘭寶石襯底上，設(shè)有低溫GaN或低溫AlN為緩沖層，其厚度為15-25nm，并在緩沖層上生長GaN，厚度為1200-2200nm及AlN異質(zhì)窗口層，厚度為15-50nm，并設(shè)有金屬電極通過AlN表層伸入到下面的GaN層。
全文摘要
提高氮化鎵光導(dǎo)型紫外光電探測器響應(yīng)度方法，在GaN表面設(shè)有AlN窗口材料，在頂層AlN材料上設(shè)有導(dǎo)電電極。在藍(lán)寶石襯底材料上生長下述異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料以低溫GaN為緩沖層并外延生長GaN吸收層、AlN窗口層，并在頂層AlN材料上設(shè)有導(dǎo)電電極。GaN緩沖層、GaN吸收層、AlN窗口層的厚度分別為15－25nm、1200－2200nm、15－50nm。以上述材料制備垂直入射的光導(dǎo)型探測器。在上述條件下在AlN/GaN異質(zhì)結(jié)界面可以獲得強(qiáng)的極化電場。提高了收集效率。
文檔編號H01L31/18GK1617358SQ20041006518
公開日2005年5月18日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者江若璉, 沈波, 鄭有炓, 周建軍, 陳鵬, 張 榮, 韓平, 謝自力, 文博, 姬小利 申請人:南京大學(xué)