AlGaN渐变组分超晶格雪崩光电二极管的制造方法与工艺

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种AlGaN渐变组分超晶格雪崩光电二极管(APD)。

背景技术：
紫外探测在民用和军事等领域均具有广泛的应用，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、半导体光电二极管(Photodiode)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。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。

技术实现要素：
本发明提供了一种半导体结构，自下至上依次包括：衬底；缓冲层；n型层；i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层；第一p型层；i型光敏吸收层；以及第二p型层，其中，i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层包括沿垂直于衬底表面方向叠置的N个周期结构1041～104N，N是大于等于1的整数，每个周期结构包括一个组分渐变层，组分渐变层的最下部的材料为AlyGa1-yN，最上部的材料为AlzGa1-zN，，其中0≤z＜y≤1，组分渐变层内任意位置的材料表示为AlcGa1-cN，随该位置到组分渐变层下表面的垂直距离d从0增加至该组分渐变层的厚度D，c从y渐变至z。本发明还提供了一种半导体结构的制造方法，包括：提供衬底；在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成n型层；在n型层上形成i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层；在i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层上形成第一p型层；在第一p型层上形成i型光敏吸收层；以及在i型光敏吸收层上形成第二p型层，其中，形成i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层包括：沿垂直于衬底表面方向形成叠置的N个周期结构1041～104N，N是大于等于1的整数，每个周期结构包括一个组分渐变层，组分渐变层的最下部的材料为AlyGa1-yN，最上部的材料为AlzGa1-zN，，其中0≤z＜y≤1，组分渐变层内任意位置的材料表示为AlcGa1-cN，随该位置到组分渐变层下表面的垂直距离d从0增加至该组分渐变层的厚度D，c从y渐变至z。附图说明图1示意性示出了根据本发明实施例的AlGaN基渐变组分超晶格雪崩光电二极管的结构示意图；图2示意性示出了根据本发明实施例的组分渐变层中组分变化曲线示例；以及图3a～3j示出了根据本发明实施例的AlGaN渐变组分超晶格雪崩光电二极管的制造方法。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明的发明人注意到，基于AlGaN、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。对光电二极管来说而言，宽的禁带宽度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。AlGaN基材料属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调。但是，发明人也注意到，基于AlGaN的同质结探测器电子和空穴离化系数相近，器件噪声功率太高，不利于弱光探测。基于AlGaN基的超晶格结构可以增强电子的离化系数，降低空穴的离化系数，大大降低了噪声，同时周期数可任意调节，以获得足够高的增益来探测弱光。但是，超晶格结构中电子的势垒过高，造成了载流子的束缚，使响应时间大大增长，不利于在对速度要求较高的场合中应用。图1示意性示出了根据本发明实施例的AlGaN基渐变组分超晶格雪崩光电二极管100的结构示意图，其自下至上依次包括：衬底101、缓冲层102、n型层103、i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层104、第一p型层105、i型光敏吸收层106、以及第二p型层107。在第二p型层107上表面形成有p型欧姆电极108。n型层103及其上的各层形成倒“T”形结构，该结构沿垂直衬底方向的截面呈倒“T”形，包括与缓冲层102接触的底部和底部之上的竖直部分。该结构的底部包括第一部分n型层103。在该底部的上表面边缘设有n型欧姆电极109。该竖直部分包括第二部分n型层103及n型层103上的各层，该第二部分n型层103位于第一部分n型层103之上。该竖直部分的侧表面覆盖有钝化层110。根据本发明的实施例，钝化层110还可以延伸到第二p型层107的部分上表面和/或第一部分n型层103的部分上表面。如图1所示，i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层104包括沿垂直于衬底表面方向叠置的N个周期结构1041～104N，N是大于等于1的整数。根据本发明的实施例，N可以是大于等于1且小于等于100的整数。每个周期结构包含势阱层、势垒层、以及位于势垒层与势阱层之间的组分渐变层。每个周期结构的组分渐变层的材料表示为AlyGa1-yN/AlcGa1-cN/AlzGa1-zN，其中0≤z＜y≤1，即，组分渐变层的最下部的材料为AlyGa1-yN，最上部的材料为AlzGa1-zN，组分渐变层内任意位置的材料表示为AlcGa1-cN，随该位置到组分渐变层下表面的垂直距离d从0增加至该组分渐变层的厚度D，c从y渐变至z。如图2所示，c从y到z的渐变方式包括但不限于线性变化、阶梯变化、指数变化、三角函数变化等。c从y到z的渐变方式可以包括先增大后减小的变化或先减小后增大的变化方式，也可以包括单调增加的变化方式。不论c采取何种变化方式，只需保证从y渐变到z即可。根据本发明的实施例，至少有一个组分渐变层的以下任意一项与其他组分渐变层的对应项不同：y值、z值、或c的变化方式。使用这种光电二极管的探测器的工作特点在于，当经由p型欧姆电极108和n型欧姆电极109外加足够的反偏电压时，使i型AlGaN渐变组分超晶格倍增层104中的i型超晶格的工作状态置于雪崩状态，在保证增强电子碰撞离化的同时，增强了电子的输运能力，改善了响应速度。这种探测器特别适用于紫外光的探测。图3a～3j示出了根据本发明实施例的AlGaN渐变组分超晶格雪崩光电二极管的制造方法。如图3a所示，选择适于生长AlGaN材料的衬底101。衬底101包括但不限于以下中的任意一种：GaN、AlN、蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、硅上生长的氧化铝复合衬底，硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底等。如图3b所示，在该衬底101上生长AlxGa1-xN(0≤x≤1)低温缓冲层102。低温缓冲层102的厚度可以是10～1000nm。如图3c所示，在上述缓冲层102上生长一层n型AlxGa1-xN(0≤x≤1)体材料层103。n型材料层103的厚度可以是1～10μm。如图3d所示，在n型AlxGa1-xN(0≤x≤1)体材料层103上生长超晶格雪崩倍增层104，包括沿垂直于衬底表面方向叠置的N个周期结构1041～104N，N大于等于1。根据本发明的实施例，N可以是大于等于1且小于等于100的整数。每个周期结构包含势阱层、势垒层、以及位于势垒层与势阱层之间的组分渐变层。势垒和/或势阱层的厚度分别可以为0～1000nm。根据本发明的实施例，可以省略势垒和/或势垒层。组分渐变层的厚度可以大于0且小于1000nm。每个周期结构的组分渐变层的材料表示为AlyGa1-yN/AlcGa1-cN/AlzGa1-zN，其中0≤z＜y≤1，即，组分渐变层的最下部的材料为AlyGa1-yN，最上部的材料为AlzGa1-zN，组分渐变层内任意位置的材料表示为AlcGa1-cN，随该位置到组分渐变层下表面的垂直距离d从0增加至厚度D，c从y渐变至z。如图2所示，c从y到z的渐变方式包括但不限于线性变化、阶梯变化、指数变化、三角函数变化等。c从y到z的渐变方式可以包括先增大后减小的变化或先减小后增大的变化方式，也可以包括单调增加的变化方式。不论c采取何种变化方式，只需保证从y渐变到z即可。根据本发明的实施例，至少有一个组分渐变层的以下任意一项与其他组分渐变层的对应项不同：y值、z值、或c的变化方式。如图3e所示，在超晶格雪崩倍增层104上生长第一p型材料AlxGa1-xN(0≤x≤1)层105。第一p型层105的厚度可以为0～1500nm。根据本发明的实施例，可以省略第一p型层105。如图3f所示，在p型AlxGa1-xN(0≤x≤1)层105上生长一层i型AlpGa1-pN(0≤p≤1)光敏吸收层106。i型光敏吸收层106的厚度可以为0～3000nm。如图3g所示，在i型光敏吸收层106上生长第二p型材料AlqGa1-qN(0≤q≤1)层107。第二p型层107的厚度可以为0～1500nm。如图3h所示，使用刻蚀技术将层103的一部分和层104～107，形成倒“T”形结构，该结构沿垂直衬底方向的截面呈倒“T”形。该结构包括与缓冲层102接触的底部和底部之上的竖直部分。该倒“T”形结构的底部包括第一部分n型层103，该竖直部分包括第二部分n型层103及n型层103上的层104～107，该第二部分n型层103位于第一部分n型层103之上。所述刻蚀技术包括但不限于以下中的任一种：感应耦合等离子体(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)、湿法刻蚀等。如图3i所示，在第二p型层107上沉积p型欧姆电极108，在第一部分n型层103的边缘上沉积n型欧姆电极109。所述p型欧姆电极108包括但不限于以下中的任一种：Ni/Au透明电极、ITO透明电极、ZnO透明电极。所述n型欧姆电极109包括但不限于以下中的任一种：Ti/Al或Cr/Au等。如图3j所示，在倒“T”形结构的竖直部分的侧表面上沉积钝化层110。根据本发明的实施例，钝化层110还可以延伸到第二p型层107的部分上表面和/或第一部分n型层103的部分上表面。沉积钝化层110方法包括但不限于等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)等。钝化层110的材料包括但不限于以下中的任一种：SiNx，SiO2，苯并环丁烯(BCB)等。本发明具有以下一项或多项有益效果：(1)使用渐变组分超晶格结构，在保持大的带阶同时，使电子势垒缓慢变化，有效缓解了势垒对电子的阻挡作用，在保持器件高增益的同时，大大增加了器件的响应速度。同时减轻了载流子在势垒的积聚，也减少了载流子在倍增层的复合，可以获得更好的倍增效果。(2)组分渐变使能带缓慢变化，减少了电子在越过势垒时的能量损失，进一步增强了电子的碰撞离化能力，可以获得更高的k值，从而有效降低噪声。(3)同时将碰撞离化控制在更容易发生雪崩的窄禁带区域内，即势阱区，其它区域禁带宽度较大，碰撞离化所需能量阈值较高，从而减少了雪崩过程的随机性，可以进一步降低噪声。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。