一种深紫外探测器的制作方法

本实用新型属于氮化镓半导体的应用技术领域，具体涉及一种将氮化镓半导体用于紫外光探测的器件，特别是280nm波长以下的深紫波段的探测的器件。

背景技术：

太阳是自然界最强的紫外光源，其280nm波长以下的深紫波段几乎被臭氧层完全吸收，这一波段的紫外线几乎无法到达地面，因此把波长在200nm-280nm的紫外光称为日盲区。相应地，人们将只对200nm-280nm波段深紫外光产生响应信号的探测器称为日盲(或太阳盲)探测器。在低空和地面探测到的该波段紫外光信号一般是来自人工发射源，如弹药爆炸、火灾、环境污染等。因此，日盲深紫外探测器在光电对抗、导弹预警、防爆抑爆、水质监测、臭氧监测等军事和民用众多领域有重要的应用意义。

目前市场常见的紫外探测器有硅基紫外光电管和光电倍增管。硅基探测器因其制作材料的Si的禁带宽度为1.12ev,使得其探测器主要应用在可见光波段，通常需要在硅探测器前端加上结构复杂、价格昂贵的滤光系统来除去干扰。光电倍增管虽然有增益大、灵敏度高、响应快、稳定性好等优点，但是其体积大、能耗大、抗辐射能力差、工作电压高、易破损坏等缺点，在一定程度上限制了其应用。

基于上述传统紫外探测器的缺点，抗辐射能力强的宽禁带半导体材料得到了广泛关注，如SiC、ZnMgO、GaN等。这些宽带隙半导体材料具有禁带宽度宽、电子饱和速度高、介电常数小、抗辐射能力强等优点，非常适合作为紫外探测器材料。SiC是禁带宽度不可调节的间接带隙材料，熔点高、导热性好，其禁带宽度是3.26eV，对应的响应峰值波长在380nm左右，这个波段在日光中有超过98％能穿透臭氧层和云层到达地球表面，对器件的干扰较大，要用于200nm-280nm波段的深紫外探测时需要加紫外滤光片。通过调节ZnMgO的Mg组分，可实现禁带宽度从3.3eV到7.8eV可调的直接带隙ZnMgO合金，但不发生结构分相的高Mg组分ZnMgO合金仍然是技术壁垒，实现深紫外探测同样需要加紫外滤光片。

GaN基的AlGaN深紫外探测器与上述传统紫外探测器相比具有独特的优势。GaN掺Al可实现禁带宽度从3.4eV到6.2eV可调的直接带隙AlGaN合金，可制作响应峰值波长在200nm—365nm的高响应紫外探测器。体材料的AlGaN探测器工作波长处于日盲区(280nm以下)，Al组分必须高于40％。目前较高晶体质量的高Al组分AlGaN材料很难实现，一般都存在较大的缺陷和位错密度；而且实现较高浓度的P型AlGaN材料也很困难。这些问题严重制约了AlGaN深紫外探测器的发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于氮化镓基的PIN型的深紫外探测器，能够实现波长在200nm-280nm的紫外光探测。

为实现本发明的目的，本发明提供深紫外探测器的技术方案为：

它包括透明的衬底，所述衬底上生长的成核层，成核层上生长的缓冲层，其特征在于缓冲层上依次生长的有n型AlGaN层，周期性结构AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层，周期性结构AlN/Al_bGa_1-bN吸收层，AlN限制层，周期性结构AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层，p型GaN层；所述AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层中每个周期的AlN厚度、AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层中每个周期的AlN厚度、AlN/Al_bGa_1-bN吸收层中每个周期的AlN厚度为0.4nm-1.5nm；其中0≤b<a<c<1，；p型GaN层上连接p型欧姆接触电极合金，n型AlGaN层上连接n型欧姆接触电极合金。

特别的：AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层首层为垒材料AlN层，其次为阱材料Al_aGa_1-aN层，接着重复周期垒材料AlN层、阱材料Al_aGa_1-aN层，最后一层为垒材料AlN层；总厚度为50-500nm。上述的周期性结构的AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层设置能够实现：晶体质量良好且禁带宽度大于5.5eV的阻挡层，有效限制吸收区的载流子，从而提高内量子效率。

特别的：吸收层首层为阱材料Al_bGa_1-bN层，其次为垒材料AlN层，接着为重复周期阱材料Al_bGa_1-bN层、垒材料AlN层，最后一层为阱材料Al_bGa_1-bN层；总厚度为3-150nm。上述周期性结构的Al_bGa_1-bN吸收层设置能够实现：晶体质量良好且禁带宽度大于4.9eV的吸收层，实现不加滤光片吸收峰值波长在250nm—280nm的深紫外探测。

特别的：AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层首层为阱材料Al_cGa_1-cN，其次为垒材料AlN层，接着为重复周期阱材料Al_cGa_1-cN层、垒材料AlN层，最后一层为阱材料Al_cGa_1-cN层；总厚度为10-200nm，上述的周期性结构的AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层设置能够实现：晶体质量良好且禁带宽度大于5.5eV的阻挡层，有效限制吸收区的载流子，从而提高内量子效率。

特别的：所述a的范围为：0≤a≤0.8，b的范围为：0≤b≤0.5c的范围为：0≤c≤0.8。

特别的：缓冲层为非故意掺杂u型AlGaN(这种表述科学吗，请指教)，缓冲层的Al组分不大于5％，厚度为2-5μm。

特别的：AlN限制层的厚度为1-3nm。

在吸收层和AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层之间设置AlN限制层的作用在于：有效限制吸收区的载流子，从而提高内量子效率。

特别的：AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层和阻挡层AlN/Al_cGa_1-cN的禁带宽度大于AlN/Al_bGa_1-bN吸收层的禁带宽度。

在p型GaN层上连接p型欧姆接触电极合金，n型AlGaN层上连接n型欧姆接触电极合金，具体通过SiO2钝化层将。

n型AlGaN层可以Si掺杂AlGaN，p型GaN层可以Mg掺杂GaN。

透明衬底可采用蓝宝石做衬底；成核层为GaN或AlN。

本实用新型结构实现了不加滤光片吸收峰值波长在250nm—280nm的深紫外探测器；采用超薄层的周期性结构AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层，周期性结构AlN/Al_bGa_1-bN吸收层，周期性结构AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层结构有利于释放Al组分中的张应力，同时因超薄层周期结构的量子限制效应使得材料的禁带宽度大于其中的AlGaN层，实现深紫外探测需要更宽的禁带宽度，就是需要Al浓度很高的AlGaN，但Al浓度越大AlGaN越难生长。用周期性结构后，由于量子效应使得阱中能级分离，阱中的能级远离了导带底和价带顶，从而实现了低Al浓度宽禁带宽度材料生长，有利于实现深紫外探测。

附图说明

图1本发明外延片结构示意图

图2周期性AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层结构示意图。

图3周期性AlN/Al_bGa_1-bN吸收层结构示意图。

图4周期性AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层结构示意图。

图5本发明深紫外探测器结构示意图。

图6深紫外探测器吸收谱图。

具体实施方式

下列实施例是基于本发明上述技术方案做出的，本发明所保护的范围并不局限于下述实施例。

如图1所示，外延片的结构是基于MOCVD依次在衬底材料上生长的，具体为：在蓝宝石衬底1上生长成核层2，成核层2为GaN或AlN，厚度为10nm～50nm，本实施例厚度为20nm；成核层2上生长非故意掺杂u型AlGaN缓冲层3，uAlGaN缓冲层3的Al组分需要不大于5％，且厚度厚度为2-6μm，本实施例厚度为3.5μm；uAlGaN缓冲层上生长Si掺杂n型AlGaN层4，n型AlGaN层4厚度为0.3～3μm，本实施例厚度为1μm；n型AlGaN层上生长周期性结构AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层5，再生长周期性结构AlN/Al_bGa_1-bN吸收层6，接着生长AlN限制层7，AlN限制层7的厚度为1～3nm，本实施例厚度为2.5nm；接着生长周期性结构AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层8，最后生长Mg掺杂pGaN层9pGaN层9总厚度为10～200nm，本实施例厚度为30nm。其中Ga源用TEGa，Al源用TMAl，N源为NH3，Si源为SiH4，Mg源为Cp2Mg，生长中载气为N2或H2以及它们的混合气，衬底可以是蓝宝石、AlN、GaN等。

如图2所示，周期性结构AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层5，需先生长垒材料AlN层5-1，再生长阱材料Al_aGa_1-aN层5-2，接着重复生长多周期垒材料AlN层、阱材料Al_bGa_1-bN层，且以垒材料AlN层结束阻挡层5生长，总厚度范围为50nm—300nm，本实施例厚度为150nm。其中a的范围为：0≤a≤0.8，本实施例a＝0.5

如图3所示，AlN/Al_bGa_1-bN吸收层6，需先生长阱材Al_bGa_1-bN层6-2，再生长垒材料AlN层6-1，接着重复生长多周期阱Al_bGa_1-bN层、垒材料AlN层，且以阱材料Al_bGa_1-bN层结束吸收层6生长；总厚度为3～150nm，本实施例厚度为20nm。其中b的范围为：0≤b≤0.5，本实施例b＝0.3

如图4所示，周期性结构AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层8需先生长阱材料Al_cGa_1-cN层8-2，再生长垒材料AlN层8-1，接着重复生长多周期阱材料Al_cGa_1-cN层、垒材料AlN层，且以阱材料Al_cGa_1-cN层结束阻挡层8生长；总厚度为10～200nm，厚度为30nm。其中c的范围为：0≤c≤0.8本实施例c＝0.55。

阻挡层5、吸收层6和阻挡层8周期性结构中每个周期内AlN厚度为0.4nm～1.5nm，本实施例中阻挡层5中每层AlN厚度为0.4nm-1.0nm，本实施例厚度为0.8nm；吸收层6中每层AlN厚度为0.4nm-1.5nm，本实施例厚度为0.5nm；阻挡层8张每层AlN厚度为0.4nm-1.0nm，本实施例厚度为0.8nm。

AlN/Al_aGa_1-aN阻挡层5和AlN/Al_cGa_1-cN阻挡层8的禁带宽度大于AlN/Al_bGa_1-bN吸收层6的禁带宽度。

生长过程中反应室压力为50～300mbar，成核层2生长温度为600℃，uAlGaN缓冲层3生长温度为1150℃、Si掺杂nAlGaN层4生长温度为1200℃，阻挡层5、吸收层6和阻挡层8生长温度为1400℃，pGaN层9生长温度为950℃。

如图5所示，外延片经过多次刻蚀、沉积等芯片工艺，制成的深紫外探测器器件结构，其中10是SiO2钝化层，11是p型欧姆接触电极合金，12是n型欧姆接触电极合金，13是入射光线。

测试深紫外探测器器件紫外吸收光谱如图6所示。其探测的波长在200nm-280nm的紫外光，不需要使用滤光片。