专利名称：GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种紫外探测器，具体涉及一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法。
背景技术：
紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有机化合物的吸收线在紫外光谱范围)、火焰探测(包括火灾报警，导弹预警和制导，燃烧监测等)、光通信(特别是卫星间采用波长小于280nm的紫外光进行通信)、紫外光源的校准(仪器，紫外线光刻等)，以及天文学研究。传统的紫外探测主要依靠光电倍增管(PMT)、热探测器、窄禁带半导体光电二极管或电荷耦合器件(CCD)实现。PMT具有高增益和低噪声，但是其体积大且玻璃外壳易碎，同时还需要很高的电源功率。热探测器(高温计或辐射热测量仪)通常用于紫外波段的校准，它的响应速度很慢而且响应度和波长不相关。而半导体光电二极管和CCD具有固态器件的优势，且只需要中等的工作电压。半导体光探测器体积小、重量轻，并且对磁场不敏感。它们具有成本低，线性度好、灵敏度高的优势和高速工作的能力，是实现紫外探测的理想途径。目前，最常用的紫外光电探测器件是基于Si材料的光电二极管，但是它和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性。首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，钝化层(通常是SiO2)会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。 这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。最后，对于某些高灵敏度的应用，探测器的有源区必须冷却以减少暗电流，冷却后的探测器会作为污染物的冷阱而导致更低的探测率。基于GaN、SiC等宽禁带半导体材料的紫外光电探测器可以克服上述的诸多缺点。 对光电二极管来说，宽的禁带宽度本身就是一个很大的优势，它使得探测器可以在室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。它们的抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。在诸多宽禁带半导体材料中，GaN基材料因为属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调而格外受到关注。目前，GaN探测器一般采用p-i-n结构，它具有暗电流小和响应速度快的特点。GaN 基p-i-n型结构中i区同时肩负吸收紫外光和进行光放大两层作用，这使得它在工作状态下存在三个缺陷一是若想提高光吸收效率就必须增加i区厚度，这使得雪崩工作电压会很高；二是由于光生载流子在i区中吸收会导致运动路径缩小，未能有效利用放大路径进行光放大，从而降低了倍增因子；三是无序运动的放大会造成明显的噪声
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是如何提高紫外探测器的灵敏度，同时提高紫外探测器的适用性。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器，自下至上依次包括用于生长AlxGai_xN材料的衬底、η型层、i型倍增层、ρ型过渡层，i型光敏吸收层和P型层，其中，OSxS 1。优选地，在所述P型层上设有ρ型欧姆电极，在所述η型层上设有η型欧姆电极。本发明还提供了一种所述探测器的制备方法，包括以下步骤Si、选择用于生长AlxGai_xN材料的衬底；S2、在所述衬底上生长η型GaN缓冲层或者η型AlN缓冲层；S3、在所述GaN缓冲层或者AlN缓冲层上生长η型AlxGai_xN层；S4、在所述η型AlxGai_xN层上生长i型AlxGai_xN倍增层作为光生载流子的雪崩放大区；S5、在所述i型AlxGa1J倍增层上生长ρ型AlxGa1J过渡层；S6、在所述ρ型AlxGa1J过渡层上生长i型AlxGa1J光敏吸收层；S7、在所述i型AlxGai_xN光敏吸收层上生长ρ型GaN层；S8、生长结束后，将一部分区域从P型GaN层的上表面刻蚀至η型AlxGai_xN层形成台面；S9、在所述ρ型GaN层上形成ρ型欧姆电极，在所述η型AlxGai_xN层上形成η型欧姆电极；S10、在所述台面上沉积钝化层。优选地，其中步骤Sl中所述衬底包括异质衬底和同质衬底，所述异质衬底为蓝宝石、硅单晶、尖晶石、碳化硅、氧化锌、硅上生长氧化铝复合衬底、氮化铝复合衬底和氧化锌复合衬底中的一种，所述同质衬底为GaN或Α1Ν。优选地，所述η型GaN缓冲层或η型AlN缓冲层的厚度为lO-lOOnm，η型AlxGai_xN 层的厚度均为1 10 μ m。优选地，所述i型AlxGai_xN倍增层的厚度为IOnm 1 μ m。优选地，所述ρ型AlxGa1J过渡层的厚度为Inm 30nm。优选地，所述i型AlxGai_xN光敏吸收层的厚度为IOnm 300nm。优选地，所述ρ型GaN层的厚度为IOnm 300nm。优选地，步骤S8中利用刻蚀技术形成台面，刻蚀深度为0 10 μ m。(三)有益效果本发明的探测器具有如下两个优点第一，倍增区和吸收区分离的特点使载流子雪崩倍增距离提高，从而使灵敏度大大增加。第二，在p-i-p-i-n结构中，电场主要集中于倍增区，这种特点使得吸收区可以做得更厚，从而使得吸收效率提高的同时基本不影响工作电压的选取，进而使得工作点的选取变得更加灵活，探测器的适用性得以提高。
图1是本发明实施例一的GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器的结构示意图；图2是本发明实施例二的GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器的结构示意图。
具体实施例方式下面对于本发明所提出的一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法， 结合附图和实施例详细说明。实施例一参考图1，本发明实施例一提供了一种GaN材料p-i-p-i-n结构的雪崩型紫外探测器，其包括用于生长GaN材料的衬底蓝宝石、η型GaN低温缓冲层、η型GaN层、i型GaN倍增层、P型过渡层，i型GaN光敏吸收层和ρ型GaN层。其制备方法如下(1)选择蓝宝石作为生长GaN材料的衬底。(2)采用MOCVD方法，三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，在上述衬底上生长20nm的η型GaN低温缓冲层。(3)在上述缓冲层上生长一层3 μ m的η型GaN层，掺杂浓度约为5Χ 1018cm_3。(4)在η型GaN层上生长一层IOOnm的i型GaN倍增层作为光生载流子的雪崩放大区(即雪崩区，也称为倍增区)。(5)使用二茂镁作ρ型掺杂剂，在i型GaN倍增层上生长一层16nm的ρ型GaN过渡层，掺杂浓度约为5X1019cm_3。(6)在ρ型过渡层上生长一层300nm的i型GaN光敏吸收层(即吸收区)。(7)在光敏吸收层上生长一层IOOnm的ρ型GaN层，掺杂浓度约为5Χ 1019CnT3。(8)生长结束后，使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术将所形成的产品的一部分区域从P型GaN层的上表面刻蚀至η型GaN层，形成深度为1 μ m的台面。(9)使用电子束蒸发(EB)技术在ρ型层上沉积一层Ni/Au电极，在η型层沉积一层Cr/Au电极。(10)使用PECVD技术在台面上沉积200nm的SiO2钝化层。实施例二参考图2，本发明实施例二提供了一种Ala4Gaa6N材料p-i-p-i-n结构的雪崩型紫外探测器，其包括用于生长Ala4Gaa6N材料的衬底蓝宝石、η型AlN低温缓冲层、η型 Al0.4Ga0.6N 层、i 型 Al0.4Ga0.6N 倍增层、ρ 型 Al0.4Ga0.6N 过渡层，i 型 Al0.4Ga0.6N 光敏吸收层和 P型GaN层。其制备方法如下(1)选择蓝宝石作为生长Ala4Gaa6N材料的衬底。(2)采用MOCVD方法，三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，在上述衬底上生长30nm的η型AlN低温缓冲层。(3)在上述缓冲层上生长一层3 μ m的η型Ala4Gaa6N层，掺杂浓度约为 5 X IO1W30(4)在η型GaN层上生长一层IOOnm的i型Ala4Gaa6N倍增层作为光生载流子的雪崩放大区(即雪崩区，也称为倍增区)。(5)使用二茂镁作ρ型掺杂剂，在i型Ala4Gaa6N倍增层上沉积一层16nm的ρ型 Ala4Gaa6N过渡层，掺杂浓度约为5Χ 1019cm_3。
(6)使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在ρ型过渡层上沉积一层300nm的i型 Ala4Gaa6N光敏吸收层(即吸收区)。(7)在光敏吸收层上生长一层IOOnm的ρ型GaN层，掺杂浓度约为5Χ 1019Cm_3。(8)生长结束后，使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术将所形成的产品的一部分区域从P型GaN层的上表面刻蚀至η型GaN层，形成深度为1 μ m的台面。(9)使用电子束蒸发(EB)技术在ρ型层上沉积一层Ni/Au电极，在η型层沉积一层Cr/Au电极。(10)使用PECVD技术在台面上沉积200nm的SiO2钝化层。本发明实施例的探测器的工作特点在于，外加足够的反偏电压以使得i型倍增层的工作状态置于雪崩状态。需要说明的是，本发明的核心内容是在GaN基p-i-p-i-n结构的紫外探测器及其制备方法，只要涉及GaN基材料的p-i-p-i-n结构探测器都应属于本发明所包含的内容。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器，其特征在于，自下至上依次包括用于生长 AlxGai_xN材料的衬底、η型层、i型倍增层、ρ型过渡层，i型光敏吸收层和ρ型层，其中， 0 ^ χ ^ I0
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，在所述ρ型层上设有P型欧姆电极，在所述η型层上设有η型欧姆电极。
3.—种权利要求1或2所述探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤51、选择用于生长AlxGai_xN材料的衬底；52、在所述衬底上生长η型GaN缓冲层或者η型AlN缓冲层；53、在所述GaN缓冲层或者AlN缓冲层上生长η型AlxGai_xN层；54、在所述η型AlxGa1J层上生长i型AlxGa1J倍增层作为光生载流子的雪崩放大区；55、在所述i型AlxGa1J倍增层上生长ρ型AlxGa1J过渡层；56、在所述ρ型AlxGa1J过渡层上生长i型AlxGa1J光敏吸收层；57、在所述i型AlxGa1J光敏吸收层上生长ρ型GaN层；58、生长结束后，将一部分区域从ρ型GaN层的上表面刻蚀至η型AlxGai_xN层形成台S9、在所述ρ型GaN层上形成ρ型欧姆电极，在所述η型AlxGa1J层上形成η型欧姆电极；S10、在所述台面上沉积钝化层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中步骤Sl中所述衬底包括异质衬底和同质衬底，所述异质衬底为蓝宝石、硅单晶、尖晶石、碳化硅、氧化锌、硅上生长氧化铝复合衬底、氮化铝复合衬底和氧化锌复合衬底中的一种，所述同质衬底为GaN或Α1Ν。1
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述η型GaN缓冲层或η型AlN缓冲层的厚度为IO-IOOnm, η型AlxGa^N层的厚度为1 10 μ m。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述i型AlxGa1J倍增层的厚度为IOnm 1 μ m0
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述ρ型AlxGai_xN过渡层的厚度为Inm 30nmo
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述i型AlxGa1J光敏吸收层的厚度为 IOnm 300nmo
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述ρ型GaN层的厚度为IOnm 300nm。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S8中利用刻蚀技术形成台面，刻蚀深度为O 10 μ m。
全文摘要
本发明涉及紫外探测器技术领域，公开了一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法，该探测器自下至上依次包括用于生长AlxGa1-xN材料的衬底、n型层、i型倍增层、p型过渡层、i型光敏吸收层和p型层，其中，0≤x≤1。本发明的探测器具有如下两个优点第一，倍增区和吸收区分离的特点使载流子雪崩倍增距离提高，从而使灵敏度大大增加。第二，在p-i-p-i-n结构中，电场主要集中于倍增区，这种特点使得吸收区可以做得更厚，从而使得吸收效率提高的同时基本不影响工作电压的选取，进而使得工作点的选取变得更加灵活，探测器的适用性得以提高。
文档编号H01L31/0352GK102386269SQ20111039156
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者汪莱, 罗毅, 郑纪元, 郝智彪 申请人:清华大学