专利名称：提高GaN基pin结构性能的紫外探测器及制作方法
技术领域：
本发明涉及到半导体器件技术领域，特别是指一种提高氮 化镓(GaN)基pin结构紫外探测器性能的方法。
背景技术：
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括 氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其光谱范围宽(覆盖了 从紫外到红外全波段)，在光电子学领域内有巨大的应用价 值。GaN紫外探测器是一种非常重要的GaN基光电子器件，在 导弹告警、火箭羽烟探测、紫外通信、生化武器探测、飞行器 制导、宇宙飞船、火灾监测等民用、军用领域有着重要的应用 价值。与Si紫外探测器相比，GaN基紫外探测器由于具有可
见光盲、量子效率高、可以在高温和苛性环境下工作等等不可 比拟的优点，在实际应用中可以做到虚警率低、灵敏度高、抗 干扰能力强，极大的受到了人们的关注。
目前，国际上已研制出MSM(金属一半导体-金属)结构、 肖特基结构、Pin结构等多种结构的GaN紫外探测器，其中pin
结构由于量子效率高、暗电流小等优点，受到了人们的关注。 但是由于深能级的存在，光生载流子很容易在耗尽区复合，从 而降低了器件的外量子效率，另外，这些深能级也能加剧隧穿 电流和产生一复合电流，增加了噪声，阻碍了器件的实际应用 和进 一 步发展。
发明内容
本发明目的在于，提出了一种提高GaN基pin结构性能的 紫外探测器及制作方法，这种方法能够减小有源区深能级缺陷 密度，从而有效的减小光生载流子复合、隧穿电流和产生一复 合电流，从而提高了器件的性能。
本发明一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器，其特 征在于，器件结构包括-
一衬底；
一成核层，该成核层制作在衬底上；
一N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；
一有源层，该有源层制作在欧姆接触层上面的中间；
一P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在有源层上；
P型欧姆接触电极，该P型欧姆接触电极为点状结构或环 形结构，制作在P型欧姆接触层上面；
一 N型欧姆接触电极，该欧姆电极为点状结构或环形结 构，制作在N型欧姆接触层上面。
其中衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。
其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮 化铝材料。
其中N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGal -xN( 0 《x《1)材料，其电子浓度大于等于1X1 0 1 8 cm- 3。
其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa 1 -xN( 0《x《1 ) 材料，其电子浓度小于等于1 X 1 0 1 7 cm- 3 。
其中P型欧姆接触层为高浓度的P型AlxGal -xN( 0《x 《1)材料，其自由空穴浓度大于等于l XI 0 1 7 cm-3。
本发明一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器的制作 方法，其特征在于，器件制备包括以下步骤
(1 )在衬底上利用外延生长设备生长成核层；
(2) 在成核层上生长N型欧姆接触层；
(3) 在N型欧姆接触层上生长有源层；
(4) 在有源层上生长P型欧姆接触层；
(5 )将N型欧姆接触层上的有源层和P型欧姆接触层的 四周部分刻蚀；
(6) 在P型欧姆接触层上面的制作P型欧姆接触电极；
(7) 在N型浓度层上面的制作N型欧姆接触电极；
(8 )将衬底减薄；
(9 )然后进行管芯分割，封装在管壳上，完成氮化镓基 紫外探测器的制作。
其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅 材料。
其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮 化铝材料。
其中N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGal -xN( 0 《x《1)材料，其电子浓度大于等于l XI 0 1 8 cm-3。
其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa 1 -xN( 0《x《1 ) 材料，其电子浓度小于等于1 X 1 0 1 7 cm- 3 。
其中P型欧姆接触层为高浓度的P型AlxGal -xN( 0《x 《1)材料，其自由空穴浓度大于等于1X1 0 1 7 cm- 3。
其中P型欧姆接触电极为点状结构或环形结构。 其中N型欧姆接触电极16为点状结构或环形结构。 其中将衬底减薄至9 Q — 1 1 0微米。
本发明提出了的方法减小了有源区深能级缺陷密度(主要 是Ga空位、Al空位等等)，有效的提高了 GaN基pin结构紫
外探测器性能，其特征在于，在GaN基pin结构探测器材料结 构有源层N--AlxGal -xN( 0《x《1 )中，采取非故意掺杂， 研究结果表明，少量的Si掺杂，能够明显的增加Ga空位、Al 空位等点缺陷浓度，这些缺陷属于深能级缺陷，能够有效的减 小少子扩散长度和少子寿命，增加了光生载流子的复合几率。 同时，这些深能级点缺陷还能有助于增加隧穿几率和产生一复 合电流，从而增加了器件的暗电流和噪声。而非故意掺杂，却 能明显的降低这些点缺陷的密度，所以，本发明提出的提高 GaN基pin结构紫外探测器性能的方法，能够减小深能级点缺 陷对光生载流子的复合和隧穿几率，从而有效的提高了器件的 外量子效率和降低了器件的噪声。
为了进一步说明本发明的内容，以下结合实例及附图详细 说明如后，其中
图1是本发明适用的GaN基pin结构紫外探测器结构示 意图。
图2是两种有源区的正电子湮灭实验。其中方形实心点表 示非故意掺杂的GaN层，而空心点表示不同浓度的轻Si掺杂 的GaN层。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明一种提高GaN基pin结构性能的 紫外探测器，器件结构包括一衬底1 0 ，该衬底1 0为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓 或砷化镓材料；
一成核层1 1 ，该成核层1 1制作在衬底1 0上，该成核 层l 1为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料；
一N型欧姆接触层1 2，该N型欧姆接触层1 2制作在成 核层l l上，该N型欧姆接触层l 2为高电子浓度的N型 AlxGal -xN ( 0《x《1 )材料，其电子浓度大于等于1 X 1 0 1 8 cm- 3 ;
一有源层l 3，该有源层1 3制作在欧姆接触层1 2上面 的中间，该有源层l 3为非故意掺杂的N型AlxGal -xN ( 0 《x《1 )材料，其电子浓度小于等于1 XI 0 1 7 cm-3 ;
一P型欧姆接触层1 4，该P型欧姆接触层1 4制作在有 源层l 3上，该P型欧姆接触层1 4为高浓度的P型AlxGal -xN(0《x《l)材料，其自由空穴浓度大于等于1X1 0 1 7 cm- 3 ;
P型欧姆接触电极l 5，该P型欧姆接触电极1 5为点状
结构或环形结构，制作在P型欧姆接触层1 4上面；
一 N型欧姆接触电极1 6，该欧姆电极1 6为点状结构或 环形结构，制作在N型欧姆接触层1 2上面。
请再参阅图1所示，本发明 一 种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器的制作方法，'器件制备包括以下步骤
(1 )在衬底1 0上利用外延生长设备生长成核层1 1 ， 该衬底1 0为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料，该 成核层ll为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝 材料；
(2 )在成核层1 1上生长N型欧姆接触层1 2 ，该N 型欧姆接触层l 2为高电子浓度的N型AlxGal -xN( 0《x《 1)材料，其电子浓度大于等于1X1 0 1 8 cm-3;
(3 )在N型欧姆接触层1 2上生长有源层1 3 ，该有源 层l 3为非故意掺杂的N型AlxGa 1 -xN ( 0《X《1 )材料；
(4) 在有源层1 3上生长P型欧姆接触层1 4，其电子 浓度小于等于1 X 1 0 1 7 cm-3 ，该P型欧姆接触层1 4为 高浓度的P型AlxGa 1 -xN ( 0《x《1 )材料，其自由空穴浓 度大于等于l XI 0 1 7 cm- 3;
(5) 将N型欧姆接触层12上的有源层13和P型欧姆 接触层1 4的四周部分刻蚀；
(6 )在P型欧姆接触层1 4上面的制作P型欧姆接触电
极1 5 ，该P型欧姆接触电极1 5为点状结构或环形结构；
(7 )在N型浓度层1 2上面的制作N型欧姆接触电极1 6，该N型欧姆接触电极16为点状结构或环形结构；(8 )将衬底1 0减薄；
(9 )然后进行管芯分'割，封装在管壳上，完成氮化镓基 紫外探测器的制作。
其中将衬底l 0减薄至9 0 — 1 1 O微米。
结合参阅图1，本发明提出的高性能的GaN基pin结构紫 外探测器的制备过程如下:在硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或 碳化硅材料为衬底1 0 ，利用MOCVD、 MBE或者其他生长GaN 材料的设备生长出器件结构，该结构包括成核层l 1、 N型欧 姆接触层l 2、有源层l 3、 P型欧姆接触层l 4。然后用光 刻、镀膜等方法先后作出P型欧姆接触电极1 5、 N型欧姆接 触电极l 6，其中，需要热退火来激活P型和改善肖特基接触 特性。最后再进行减薄、分割、压焊、封装成紫外探测器器件， 衬底1 0可减薄至9 0 — 1 1 0微米。在器件结构中，我们采 取非故意惨杂的N--AlxGa l-xN层作为有源层lS，该层有较 小的Ga空位、Al空位等点缺陷密度，从而降低了光生载流子 的复合几率和隧穿几率，有效的提高了器件的外量子效率、减 小了器件的噪声。
为了进 一 步说明本器件结构的效果我们以响应截止波长 为3 6 5 nm的GaN基pin结构紫外探测器为例说明该器件结 构的制备过程，具体如下利用MOCVD设备以蓝宝石为衬底1 O生长出器件结构，该结构包括成核层l 1、 N+-GaN层1 2(厚度为3^im、电子浓度为3X1 0 1 8cm_3)、有源区 N_-GaN层l 3(厚度为0.4^im、电子浓度为2Xl 0 1 6cm_ 3 )、 P-GaN层1 4 (厚度为0 . 1 nm、电子浓度为3X101 7 cm-3 )。材料生长完以后，7 5 0 。C热退火2 0分钟激活P 型。管芯尺寸为1 . 2 mniX 1 . 2 mm。用干法刻蚀等方法刻出台 阶结构，露出N+-GaN层l 2。然后用光刻、镀膜等方法先后 作出P型欧姆接触电极1 5 (Ni/Au电极，其中Ni、 Au厚度 分别为3 nm、 5 nm)、 N型欧姆接触电极1 6 (Ti/Al电极)， 其中，需要在5 0 Q'C退火5分钟来改善欧姆接触特性。最后 再进行减薄、切割、压焊、封装成紫外探测器器件样品。
我们对本发明提出的采取非故意掺杂GaN做有源层和采 取轻Si掺杂GaN的有源层正电子湮灭实验结果进行比较，结 果如下
图2两种有源区的正电子湮灭实验。其中方形实心点表示 非故意掺杂的GaN层，而空心点表示不同浓度的轻Si掺杂的 GaN层。
显然，非故意掺杂的GaN层的S参数明显小于轻Si掺杂 的GaN层的S参数，意味着非故意掺杂GaN层的Ga空位密度 要明显低于轻Si掺杂的GaN层。Ga空位是一种深能级点缺 陷，能够促进光生载流子的复合、增加隧穿电流和产生一复合 电流，从而降低了器件性能。
从上述的实验结果来看，相比于采取轻Si掺杂GaN做有
源层来说，本发明提出的采取非故意掺杂GaN层做有源区的点 缺陷密度明显减小，器件性能将得到改善。
本发明提出了采取非故意掺杂做有源层的GaN基pin结构 紫外探测器，实验结果表明，该层能有效的减小Ga空位等点 缺陷密度，将使器件性能得到明显的提高。
权利要求
1、一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器，其特征在于，器件结构包括一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上；一N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；一有源层，该有源层制作在欧姆接触层上面的中间；一P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在有源层上；P型欧姆接触电极，该P型欧姆接触电极为点状结构或环形结构，制作在P型欧姆接触层上面；一N型欧姆接触电极，该欧姆电极为点状结构或环形结构，制作在N型欧姆接触层上面。
2、 根据权利要求1所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器，其特征在于，其中衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、 氮化镓或砷化镓材料。
3、 根据权利要求1所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器，其特征在于，其中成核层为低温生长的氮化镓 材料或者低温生长的氮化铝材料。
4、 根据权利要求1所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器，其特征在于，其中N型欧姆接触层为高电子浓 度的N型AlxGal -xN ( 0《x《1 )材料，其电子浓度大于等 于1 X 1 0 1 8 cm- 3 。
5、 根据权利要求1所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器，其特征在于，其中有源层为非故意掺杂的N 型AlxGa 1 -xN ( 0《x《1 )材料，其电子浓度小于等于1 X 1 0 1 7 cm- 3 。
6、 根据权利要求1所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器，其特征在于，其中P型欧姆接触层为高浓度的 P型AlxGa 1-xN(0《x《l)材料，其自由空穴浓度大于等 于1 X 1 0 1 7 cm- 3 。
7、 一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器的制作方 法，其特征在于，器件制备包括以下步骤(1) 在衬底上利用外延生长设备生长成核层；(2) 在成核层上生长N型欧姆接触层；(3) 在N型欧姆接触层上生长有源层；(4) 在有源层上生长P型欧姆接触层；(5 )将N型欧姆接触层上的有源层和P型欧姆接触层的 四周部分刻蚀；(6 )在P型欧姆接触层上面的制作P型欧姆接触电极； (7 )在N型浓度层上面的制作N型欧姆接触电极； (S)将衬底减薄；(9 )然后进行管芯分割，封装在管壳上，完成氮化镓基紫外探测器的制作。
8、 根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为蓝 宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。
9、 根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性能 的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中成核层为低温生 长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料。
10、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性 能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中N型欧姆接触 层为高电子浓度的N型AlxGal -xN ( 0《x《1 )材料，其电 子浓度大于等于1 X 1 0 1 8 cm- 3 。
11、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性 能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中有源层为非故 意掺杂的N型AlxGa 1 -xN ( 0《x《1 )材料，其电子浓度小 于等于1 XI 0 1 7 cm- 3 。
12、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性 能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中P型欧姆接触 层为高浓度的P型AlxGa 1 -xN ( 0《x《1 )材料，其自由空 穴浓度大于等于1 X 1 0 1 7 cm- 3 。
13、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性 能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中P型欧姆接触 电极为点状结构或环形结构。
14、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性 能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中N型欧姆接触 电极l6为点状结构或环形结构。
15、根据权利要求7所述的一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中将衬底减薄至 9 0 — 1 1 0微米。
全文摘要
一种提高GaN基pin结构性能的紫外探测器，其特征在于，器件结构包括一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上；一N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；一有源层，该有源层制作在欧姆接触层上面的中间；一P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在有源层上；P型欧姆接触电极，该P型欧姆接触电极为点状结构或环形结构，制作在P型欧姆接触层上面；一N型欧姆接触电极，该欧姆电极为点状结构或环形结构，制作在N型欧姆接触层上面。
文档编号H01L31/0224GK101101934SQ20061011126
公开日2008年1月9日 申请日期2006年8月17日 优先权日2006年7月6日
发明者李向阳, 辉 杨, 梁骏吾, 赵德刚, 龚海梅 申请人:中国科学院半导体研究所