專利名稱：AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構和生長方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構和生長方法，尤其是可用于航空、航天、跟蹤與控制、導彈制導與預警、醫(yī)療衛(wèi)生與生物工程、環(huán)境監(jiān)測與預報等領域的新型AlN/AlxGa1-xN基共振增強(簡稱RCE)紫外射線探測器材料結構和生長方法。
背景技術：
AlGaN基紫外探測器是近年來國際上III族氮化物研究的熱點問題之一，它在航空及航天跟蹤與控制、導彈制導與預警、醫(yī)療衛(wèi)生與生物工程、環(huán)境監(jiān)測與預報等領域具有極強的應用前景。為了增強紫外探測器的量子效率，采用兩個平行分布式布喇格反射鏡(DistributedBraggReflectors)形成法布里-玻羅共振腔，在共振腔內設計有源層(active-layer)，通過對探測波長的調諧，形成共振腔增強型紫外探測器(ResonantCavity-Enhanced ultraviolet photodetectors)。由于其廣泛的應用前景和優(yōu)越的器件性能，各國均大力進行研發(fā)。
以GaN為代表的III-V族寬直接帶隙半導體由于具有帶隙寬(Eg＝3.39eV)、發(fā)光效率高、電子漂移飽和速度高、熱導率高、硬度大、介電常數(shù)小、化學性質穩(wěn)定以及抗輻射、耐高溫等特點，在高亮度藍光發(fā)光二極管、藍光激光器和紫外探測器等光電子器件以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子器件領域有著巨大的應用潛力和廣闊的市場前景，引起人們的極大興趣和廣泛關注。AlN與GaN，InN一樣同屬寬禁帶的III-V族化合物半導體，是一種重要的紫外、藍光材料，加上它具有高的熱導率、低的熱膨脹系數(shù)、和壓電效應等其他重要的物理性質而在電學、光學等領域有著廣泛的應用前景。AlN與SiC，Al2O3。及Si間的晶格失配度分別為1％、14％和23％。在6H-SiC(0001)襯底上用減壓金屬有機化學氣相沉積的方法生長得到的單晶AIN薄膜，它的(0001)衍射峰的半峰寬僅為0.02°、薄膜中的位錯密度為1.81×108/cm2，殘余應力僅有109達因//cm2。氮化鋁是III-V族化合物中能帶(＜6.2eV)最寬的化合物。它具有很高的聲速；很高的導熱性和化學穩(wěn)定性；優(yōu)良的絕緣性和很低的介電損耗；在可見光和近紅外光范圍內具有優(yōu)異的光透過性，在分解溫度2300℃以上仍具有很高的機械強度和硬度；具有與硅相近的低熱膨脹系數(shù)。由于AlN以及高Al組分AlxGa1-xN(x≥3)材料的制備技術的困難限制了360nm以下的低波段AlxGa1-xN紫外器件的發(fā)展。GaN和AlN的禁帶寬度分別為3.4和6.2eV，由GaN和AlN形成的AlGaN合金，使AlGaN的禁帶寬度隨Al含量的增加而從GaN的3.4eV逐漸上升，以調節(jié)發(fā)光管喝激光管發(fā)出的波長或接受波長?？梢杂盟鼈冎苽淠馨l(fā)出綠光、藍光、紫光或紫外光的發(fā)光管和激光管。
隨著科學技術的快速發(fā)展，對各種光電探測器性能(量子效率、帶寬、響應率、噪聲和靈敏度等)的要求愈來愈高。一個性能較好的光電探測器一般應具備不敏感工作波長以外的光、量子效率高、背景噪聲低、響應速度快、易于集成，以獲得足夠多的視場或多光譜探測能力。常規(guī)的AlGaN紫外光電探測器不能同時具備高的量子效率、適當?shù)膸?、快的響應速度和不敏感工作波長以外的光等特性，因而，越來越不能滿足實際應用對探測器芯片所提出的要求，在一定程度上制約著紫外探測技術的發(fā)展。經(jīng)過許多科學工作者的努力，發(fā)現(xiàn)了諧振增強型(RCE)光電探測器的理論基礎，以及用于生產(chǎn)諧振腔的外延技術在工程應用上的突破使得諧振增強型光電探測器得以實現(xiàn)，從而實現(xiàn)了帶寬效率優(yōu)質較高的新型光電探測器。
從半導體激光器和探測器的發(fā)展進程來看，進一步降低閾值、降低噪聲、提高量子效率一直是人們的追求。人們在材料制備，器件結構設計等諸多方面進行了大量的研究。把光電器件的激活區(qū)置于Febry-Perot諧振微腔內的新型光電器件已經(jīng)在以GaAs和InP為代表的第二帶半導體發(fā)光二極管，激光器和探測器中得到應用。具有微腔結構的電子器件可以大大提高在諧振波長附近光電器件的量子效率，提高器件的響應速度，使發(fā)射或吸收光譜變窄，改善光發(fā)射的方向性等。在微腔結構中引入高反射率的分布布拉格反射鏡是解決這些問題的途徑之一。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN探測器的結構；然后在藍寶石襯底上采用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術合成生長AlN/AlGaN共振腔增強型紫外探測器(RCE，ResonantCavity-Enhanced ultravioletphotodetectors)結構材料。提高低波段紫外探測器的量子效率，響應速度、并且使吸收以及發(fā)射光譜變窄改善器件性能。
本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構藍寶石襯底上設有厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設有15-80nm和15-100nm的5-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)；在底鏡上設有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN結構的諧振腔；設有20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)完成RCE紫外探測器結構。
或再在所述高溫GaN材料上再生長一層5-100nm的高溫AlN插入層。
AlGaN基共振增強單色紫外探測器生長方法，根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN探測器的結構；然后進行材料結構生長；在MOCVD系統(tǒng)中對生長的藍寶石襯底在500-1100℃溫度下進行材料熱處理，然后或通入氨氣進行表面氮化，再在一定溫度范圍500-1100℃通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源(三甲基Al和三甲基鎵Ga)，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數(shù)，在藍寶石襯底上合成生長厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，或再在該GaN材料上生長一層5-10nm的高溫AlN插入層，接著以1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的5-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)；在底鏡上繼續(xù)生長n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN結構的諧振腔；最后在1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)完成RCE紫外探測器結構生長。
本發(fā)明的機理和技術特點根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN低波段(波長小于360nm)紫外探測器的結構，確定紫外探測器的材料結構。本發(fā)明申請的結構根據(jù)波長不同包括兩個DBR結構(底鏡和頂鏡)和一個共振腔結構。底鏡DBR結構為為5-50nm厚的低溫LT-GaN/50-2000nm厚的高溫HT-GaN/和或包括加入一層厚度為5-100nm的高溫HT-AlN/最后為10-50周期的15-80nm高溫AlN/15-100nm高溫AlxGa1-xN，其中Al組分x≥0.3(底鏡)；頂鏡DBR結構為0-30周期的15-80nm高溫AlN/15-100nm高溫AlxGa1-xN，其中Al組分x≥0.3(頂鏡)。共振腔結構為20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3。尤其是10-20周期的20-50nm高溫AlN/40-60nm高溫AlxGa1-xN。
本發(fā)明是根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN探測器的結構；利用低壓MOCVD技術生長波長在360nm以下的AlGaN/AlN半導體多層膜RCE低波段紫外探測器，實現(xiàn)了材料的優(yōu)化生長，獲得了中心波長和發(fā)射率都接近理論值的RCE探測器結構材料。并對材料結構和光學性能進行了進一步研究。申請人根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法設計和利用MOCVD生長技術在藍寶石襯底上合成生長低波段紫外探測器結構材料。在RCE探測器結構中采用AlN和高Al組分AlGaN材料實現(xiàn)了紫外低波段的探測，大大提高了低波段紫外探測器的量子效率，響應速度、并且使吸收以及發(fā)射光譜變窄改善了器件性能。
本發(fā)明特點是本發(fā)明得到的AlGaN/AlN探測器結構反射譜和本發(fā)明生長的RCEpin探測器的響應圖器件對波長為320nm的紫外射線具有很強的吸收和器件的響應度。


本發(fā)明設計生長的多層結構RCE紫外探測器以及該結構的原型器件特性如下圖所示。
圖1為本發(fā)明的的AlN/AlGaN基RCE紫外探測器原理圖。圖中R1和R2是兩個反射鏡的反射率，r是材料的反射系數(shù)，L是共振腔長度，a是吸收系數(shù)，d是吸收層的厚度，λ是入射光的真空波長，E是入射光，反射光的光強度。R1＝r12，R2＝r22。
根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN低波段(波長小于360nm)紫外探測器的結構，確定紫外探測器的材料結構。根據(jù)該結構確定該探測器的反射波長小于360nm。本發(fā)明申請的結構為藍寶石襯底上合成生長厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，或再在該GaN材料上生長一層5-100nm的高溫AlN插入層，接著以1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的10-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)。接著以1000-1300℃生長20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔。最后以1000-1300℃生長厚度分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)。
圖2為本發(fā)明根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計的AlGaN/AlN中心波段波長為330nm的紫外探測器的結構。在該結構中探測器的中心波長設計為330nm，底鏡采用厚度分別為38.9nm/34.8nm的30個周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的DBR結構；共振腔的吸收層設計為厚度達63.8nm的p層Al0.35Ga0.65N隔離層/10nm厚的i層GaN/厚度為63.8nm的p層Al0.35Ga0.65N隔離層；最后設計頂鏡結構為38.9nm/34.8nm的3個周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的DBR結構。
圖3為本發(fā)明設計生長的RCE結構的反射譜。從譜圖可以看出，該RCE探測器在320nm處出現(xiàn)明顯的吸收峰，落在反射峰的中間。即該器件對波長為320nm的紫外射線具有很強的吸收。
圖4為采用本發(fā)明的材料結構研制的RCE pin紫外探測器響應圖。該探測器采用Ti/Al，Ni/Au做歐姆金屬，在297nm波段，0伏偏壓下器件的響應度為0.0064A/W；在323nm波段，零伏偏壓情況下器件的響應度為0.005A/W。
具體實施例方式
本發(fā)明根據(jù)RCE探測器量子效率的分析模型方法計算設計AlGaN/AlN低波段(波長小于360nm)紫外探測器的結構，確定紫外探測器的材料結構。器件結構模型見圖1所示。根據(jù)該模型可以給出下式的器件量子效率與材料結構關系。
η={(1+R2e-ad)1-2R1R2e-adcos(2βL+ψ1+ψ2)+R1R2e-2ad}×(1-R1)(1-e-ad)]]>式中η是器件的量子效率，R1和R2是兩個反射鏡的反射率，L是共振腔長度，a是吸收系數(shù)，d是吸收層的厚度，β是傳播常數(shù)(β＝2nπ/λ0，λ0和n分別是真空波長和材料折射率)，1和2分別表示由于光滲透到上下反射鏡所引起的相變。同時，在RCE結構中上下兩個DBR的反射率R1和R2必須滿足表達式R1＝R2e-2αd才可能達到器件的量子效率的最大值。
本發(fā)明的結構為藍寶石襯底上合成生長厚度在50-2000nm的低溫層和高溫層GaN材料，低溫層和高溫層GaN的厚度的大小無明顯區(qū)別，一般為了藍寶石襯底的生長底鏡等結構時的晶格匹配；同樣為了上述目的，或再在該GaN材料上生長一層5-100nm的高溫AlN插入層。
接著以1000-1300℃的溫度下(典型的在1100-1200℃，與現(xiàn)有工藝生長AlN或AlGaN相似)生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的10-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)。接著以1000-1300℃生長20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔。最后以1000-1300℃生長厚度分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)。根據(jù)該結構確定該探測器的反射波長小于360nm。本發(fā)明在藍寶石襯底上RCE結構的優(yōu)化生長條件范圍見表1所示。GaN材料上分別設有15-80nm和15-100nm的5-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)；在底鏡上設有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN結構的諧振腔；設有20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)完成RCE紫外探測器結構。底鏡上具有10-50周期的15-80nm高溫AlN/和15-100nm高溫AlxGa1-xN多層結構的頂鏡(AlxGa1-xN中Al組分≥0.3)；具體而言根據(jù)該結構控制反射波長小于360nm；然后進行材料結構生長。具體結構見圖2所示；在MOCVD系統(tǒng)中對生長的藍寶石襯底在500-1100℃溫度下進行材料熱處理，然后或通入氨氣進行表面氮化，再在一定溫度范圍500-1100℃通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數(shù)，在藍寶石襯底上合成生長厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，或再在該GaN材料上生長一層5-100nm的高溫AlN插入層，接著以1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的10-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)。接著以1000-1300℃生長20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3(控制三甲基鋁與三甲基鎵的流量)的探測器的共振腔。最后以1000-1300℃(典型的在1200℃)生長厚度分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)。如圖1、2所示。
其中，結構內具有10-50周期的15-80nm高溫AlN/15-100nm高溫AlxGa1-xN多層結構，Al組分AlxGa1-xN(Al組分≥0.3)的底鏡、20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔，以及15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)的采用，以及多層結構的層數(shù)量，各層的厚度，生長前的熱退火工藝，熱退火溫度，生長材料的溫度控制是本發(fā)明的關鍵。上述參數(shù)范圍內，對紫外的探測響應無顯著變化，尤其是x的上限可以取0.8對響應的性能亦無明顯的影響。
0周期的底鏡也具有對紫外的探測響應，(有類似圖3的曲線)。
結構內50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，或再在該GaN材料上生長一層5-100nm的高溫AlN插入層，厚度分別為15-80nm和15-100nm的10-50個周期的AlN/AlxGa1-xN多層結構的分布布拉格反射鏡(底鏡)。接著是20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔。最后以是厚度分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)。根據(jù)該結構確定該探測器的反射波長小于360nm。上述多層結構的采用，以及多層結構的層數(shù)量，各層的厚度，以及生長前的熱退火工藝，熱退火溫度，生長材料的溫度和溫度控制也是本發(fā)明的關鍵。
表1.在藍寶石襯底上生長AlN/AlGaN DBR結構的優(yōu)化生長條件范圍


具體包括以下幾步1.在MOCVD系統(tǒng)中對生長的藍寶石襯底在500-1100℃(典型的是700℃)溫度下進行材料熱處理，或然后通入氨氣進行表面氮化。
2.然后在500-1100℃(典型的是600或800℃)溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及金屬有機源，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數(shù)，在藍寶石襯底上合成生長低溫和高溫5-100nm的GaN緩沖層材料。
3.再在該GaN材料上以500-1300℃(典型的是750或1000℃左右)生長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周期的底鏡層。如見底鏡采用厚度分別為38.9nm/34.8nm的30個周期的AlN/Al0.35Ga0.65N的圖2的實施例。
4.生長20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN/5-30nm(典型的是35-40nm)厚的高溫i-GaN吸收層/20-80nm(典型的是35-40nm)厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3的探測器的共振腔。高溫n-AlxGa1-xN是電子載流子半導體，高溫p-AlxGa1-xN指正載流子的半導體，i-GaN指本征半導體。
5.最后生長厚度分別為15-80nm(典型的是35-40或60-65nm)和15-100nm(對應典型的是35-40或60-65nm)的0-30個周期(典型的是20周期)的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡(頂鏡)。
6.其中，結構內多層結構，AlN和高Al組分AlxGa1-xN(Al組分≥0.3)的采用，以及多層結構的層數(shù)量，各層的厚度，以及生長前的熱退火工藝，熱退火溫度，生長材料的溫度和溫度控制也是本發(fā)明工藝方法需要控制的，但用于生長的方法基本上是現(xiàn)有技術。
權利要求
1.AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構其特征是在藍寶石襯底上設有厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設有15-80nm和15-100nm的5-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底鏡上設有n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN結構的諧振腔即設有20-80nm厚的高溫n-AlxGa1-xN，5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20-80nm厚的高溫p-AlxGa1-xN，Al組分x≥0.3作為探測器的諧振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測器結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構其特征是所述高溫GaN材料上生長一層5-100nm的高溫AlN插入層。
3.根據(jù)權利要求1所述的AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構其特征是底鏡的結構為10-50周期的15-80nm高溫AlN/15-100nm和高溫AlxGa1-xN，其中Al組分x≥0.3。
4.根據(jù)權利要求1所述的AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構其特征是頂鏡結構為10-20周期的20-50nm的高溫AlN和40-60nm的高溫AlxGa1-xN的頂鏡。
5.AlGaN基共振增強單色紫外探測器生長方法，其特征是在MOCVD系統(tǒng)中對生長的藍寶石襯底在500-1100℃溫度下進行材料熱處理，然后或通入氨氣進行表面氮化，再在500-1100℃溫度范圍通入載氣N2，氨氣以及按比例流量通入三甲基Al和三甲基鎵金屬有機源，在藍寶石襯底上合成生長厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，或再在該GaN材料上生長一層5-10nm的高溫AlN插入層，接著以1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的5-50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡構成底鏡；在底鏡上繼續(xù)生長n-AlxGa1-xN/i-GaN/p-AlxGa1-xN結構的諧振腔；最后在1000-1300℃生長層厚分別為15-80nm和15-100nm的0-30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測器結構；Al組分在0.3與0.8之間。
全文摘要
AlGaN基共振增強單色紫外探測器結構在藍寶石襯底上設有厚度在50－2000nm的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設有15－80nm和15－100nm的5－50個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底鏡上設有n－AlxGal－xN/i－GaN/p－AlxGal－xN結構的諧振腔即設有20－80nm厚的高溫n－AlxGal－xN，5－30nm厚的高溫i－GaN吸收層，20－80nm厚的高溫p－AlxGal－xN，Al組分x≥0.3作為探測器的諧振腔；最后是層厚分別為15－80nm和15－100nm的0－30個周期的AlN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測器結構。
文檔編號H01L31/18GK1913178SQ20061008610
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權日2006年8月29日
發(fā)明者謝自力, 江若璉, 張 榮, 韓平, 修向前, 劉斌, 李亮, 趙紅, 鄭有炓, 顧書林, 施毅, 朱順明, 胡立群 申請人:南京大學