专利名称：一种具有内增益的紫外探测器及制备方法
技术领域：
本发明涉及到的光电探测器及制造工艺技术，具体是指具有内增益的可见 盲紫外探测器及制备技术。
技术背景如今，紫外探测技术己经越来越显示出它的重要性，小信号探测对探测器性能提出了更高的要求。曾经出现的紫外真空管以及Si基、SiC基等具有内增益的紫外探测器，自身固有的缺点限制了它们在紫外探测领域的应用前景，而工作在紫外波段的具有内增益的GaN基半导体紫外探测器恰好可以克服这些 方面的不足。这种类型的探测器在激光成像雷达、环境探测、荧光、远距离探 测等各个领域均有十分广泛的应用前景，通过探测信号既可以获得移动目标的 距离也可以知道目标的移动速度，因此可以对移动目标进行精确探测，这是普 通探测器所无法完成的工作。本发明所提及探测器的内增益是通过光生载流子 在i层内被反偏电场加速而与材料原子碰撞使其产生电子-空穴对来获得的。鉴 于GaN材料生长技术方面的限制，目前研制的器件结构主要是肖特基 (Schottky)结构、p-i-n结构等。被探测的光信号从p型GaN材料层方向入射 (正照式)也可从衬底方向入射(背照式)进探测器而作用到本征(i)型GaN 层，不同的入射方式分别对应于是电子或是空穴引起碰撞电离而获得内增益。 针对具有内增益背照式p-i-n结构的探测器，目前国际上主要是通过减小n型 GaN的厚度来实现的。但是n型材料层的厚度越小，制备得到的器件的串联电 阻越大，使其反偏暗电流越大，倍增特性曲线上直线部分的斜率相应的就会愈大，对于工作在盖革模式(Geiger)下的器件是一个不利的因素。同时，兼顾 材料生长技术、器件制备工艺以及器件性能三者之间的制约关系，使得器件的 光敏面面积既不能太大也不能太小，目前有报道的器件的光敏面直径主要集中 在30微米至50微米之间。另外设法减小器件的反偏暗电流也是一项技术难题， 影响具有内增益的光电器件的倍增、噪声等性能。 发明内容本发明的目的是提供一种具有内增益的紫外探测器及其制备方法，解决现 有的紫外探测技术及器件制备过程中的难题，提高对弱紫外辐射信号的探测能 力。本发明所叙述的具有内增益的紫外光电探测器为pin+结构，外延材料具有五 层结构如说明书附
图1所示，首先在双抛的蓝宝石、Si或SiC衬底1上外延生 长A1N (高、低温生长)或GaN缓冲层2，缓冲层厚度一般为0.5um-3um，尽 可能减小外延材料中因晶格失配而引起的缺陷的密度。接着为三层外延材料 n-AlxGa^N:Si((Kx〈)层3，它的厚度及掺杂浓度分别为0.1um 0.3um和1016 1018/cm3 ; i-GaN(未掺杂)层4它的厚度及载流子浓度分别为0.1um 0.6um 和 10"/cm、p-GaN:Mg层5，它的厚度及掺杂浓度分别为0.5um lum和1018 1019/cm3。入射的光信号在p层(正照式)和i层(被照式)产生的光生载流 子(电子或空穴)被i层的内建电场加速，获得足够高的能量后，与基体材料 原子碰撞而得到电子一空穴对，新生的电子或空穴再因加速碰撞而产生新的电 子—空穴对，按照这种方法就可以获得光电流的倍增，实现了探测器的内增益。 在外延材料上制备的紫外探测器的结构如附图2和3， p型接触电极6电子束 蒸发淀积的Ni/Au/Ni/Au;第一层钝化层7是利用PECVD技术生长的Si02或 Si3N4， n型接触电极8为电子束蒸发淀积的Ti/Al/Ti/Au;第二层钝化层9是利用PECVD技术生长的Si02或Si3N4;加厚电极10和互联电极11淀积生长的 金属为Cr/Au。制备技术包括制备普通探测器的一般工艺，简述如下(1) 超声波有机溶剂、等离子体清洗材料表面。(2) 电子束、蒸发淀积生长金属电极及加厚和互联电极。(3) ICP刻蚀台面成结。(4) PECVD技术、磁控溅射技术生长钝化层。但是鉴于本发明涉及到的具有内增益的紫外探测器的特点，在制备技术上 的特殊之处如下(1) 刻蚀台面的多次表面处理氮气等离子体处理(处理时间为20分钟左 右)、KOH水溶液(20% (质量比)KOH水溶液加热至沸腾，浸泡试验材料 15秒)及热退火(在氮气气氛中温度为700°C，时间为1分钟)、硫化，按照 这些步骤，可以去除表面的刻蚀产物、刻蚀损伤以及对晶格造成的影响，就可 以减小漏电和增加接触电极的电学性能和光学性能。(2) 双次钝化工艺，ICP刻蚀台面后进行表面处理，然后利用PECVD技术 生长的Si02，厚度为1500~2500埃，然后淀积生长Ti/Al/Ti/Au，利用丙酮处理 好以后对钝化层和金属层在氮气气氛中进行热退火(时间为15分钟，温度为 550°C)，最后利用PECVD技术生长Si02为第二层钝化层，此层钝化层腐蚀开 电极孔的尺寸比第一次要小20微米，尽可能的减小外延电极及电极周围漏电 对器件性能的影响。(3) 第一次光刻掩膜胶为薄胶，就可以缓解器件光敏面面积縮小的现象。 本发明的紫外探测器与普通紫外探测器相比，突出的特点是具有内增益，可以对探测得到的光生电流在探测器内部被放大，尽可能的避免与探测器相连的读出电路的噪声对弱紫外信号的影响，因而提高整个探测组件的信噪比，还可用于进行精确探测、远距离探测等。说明书附l为外延材料的结构示意图；其中1为外延材料的衬底；2为A1N或GaN缓冲层；3为n型AlxGai_xN 材料层；4为i型GaN材料层(本征材料)，光生载流子发生倍增的区域；5 为p-GaN材料层。图2为具有内增益的器件的剖面结构示意图；其中6为p接触电极，接触金属为电子束蒸发淀积的Ni/Au/Ni/Au; 7为 利用PECVD技术生长的Si02或Si3N4，为第一层钝化层；8为n型接触电极， 接触金属为为电子束蒸发淀积的Ti/Al/Ti/Au; 9为利用PECVD技术生长的Si02 或Si3N4，为第二层钝化层；10和11分别为加厚电极和互联电极，淀积生长的 金属为Cr/Au。图3为图2的俯视图。图4一图6为工艺流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图采用MOCVD技术生长的p-i-n+结构的GaN基材料， 紫外探测器的制备工艺，说明本发明提及的具有内增益的紫外探测器的制备方 法1. 根据材料的透射谱以及XRD测试结果选择高质量的基体外延材料，要求 在透过区内透射率大于80%且具有周期性的振荡，FWHM的值尽可能小。2. 三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇超声清洗外延片，每步要清洗大约5分钟。3. 电子束蒸发生长Ni/Au/Ni/Au，每层厚度各为180~250埃(A)，生长电极 前用乙醇及盐酸的混合液浸泡大约8 15分钟，以去除表面的氧化物，再 用氮等离子体处理对样品进行表面清洗。4. 第一次光刻，光刻时所用的光刻胶为AZ-4260，甩薄掩膜光刻胶，前烘 和后烘的时间温度分别为65'C和30分钟。光刻后利用Ni、 Au腐蚀液 形成圆形的p型接触电极6。5. 电子束蒸发1600 2000ANi作为ICP刻蚀时的掩膜。6. ICP刻蚀成台面，刻蚀条件为Ar/Cl2/BCl产3/3/24sccm,刻蚀功率为350W， 偏置电压为100V。测量台面高度为5500~7000A。7. 氮气等离子体处理20分钟后，10% 20% KOH (w.t.)溶液加热至沸腾， 把样品浸泡10秒 20秒，然后在氮气气氛中进行快速热退火，温度为700 度，时间为1分钟，最后常温硫化处理，时间30分钟。8. 利用PECVD生长第一层Si02钝化层7，其厚度为1500 2500A。9. 利用光刻胶做腐蚀钝化层Si02的掩膜，以除掉要淀积生长电极的样品的 表面，腐蚀液为HF缓冲液，腐蚀至露出材料表面为止。10. 电子束蒸发生长Ti/Al/Ti/Au四层金属作为n型接触电极，利用丙酮对淀 积后的电极进行处理，然后在氮气气氛中进行快速热退火，以形成n型 欧姆接触电极8。11. 利用PECVD方法生长800A 1000A Si02作为第二层钝化层9。12. 腐蚀钝化层，开电极孔，方法同步骤9。13. 电极束溅射生长加厚电极10及焊接互联电极11，金属种类Cr/Au。
权利要求
1.一种具有内增益的紫外探测器，它由衬底(1)、缓冲层(2)、三层外延材料层(3、4、5)、P型接触电极(6)、n型接触电极(8)、第一钝化层(7)、第二钝化层(9)、加厚电极(10)和互联电极(11)构成，其特征在于a.衬底(1)采用的材料是双面抛光的蓝宝石、Si或SiC；b.缓冲层(2)是在衬底(1)上通过外衍生长的氮化铝或氮化镓缓冲层薄膜，厚度为0.5um至3um；c.外延材料层(3)是n-AlxGa1-xN:Si(0＜x＜1)，它的厚度为0.1um至0.3um，掺杂浓度为1016/cm3～1018/cm3；d.外延材料层(4)是i-GaN，它的厚度为0.1um至0.6um，载流子浓度为～1015/cm3；e.外延材料层(5)是p-GaN:Mg，它的厚度为0.5um至1um，掺杂浓度为1018/cm3～1019/cm3；f.第一钝化层(7)和第二钝化层(9)是利用PECVD技术生长的SiO2或Si3N，第一钝化层(7)的厚度为1500埃至2500埃，第二钝化层(9)的厚度为800埃至1000埃；g.P型接触电极(6)是电子束蒸发淀积的Ni/Au/Ni/Au；h.n型接触电极(8)为电子束蒸发淀积的Ti/Al/Ti/Au；i.加厚电极(10)和互联电极(11)是淀积生长的金属为Cr/Au。
2.根据权利要求1所述的一种具有内增益的紫外探测器，其特征在于在 对外延材料层(3、 4、 5)台面刻蚀工序完成后，微台面按以下步骤进行表面 处理a.氮气等离子体处理，处理时间为20分钟左右；b. 在加热至沸腾的质量比10%至20%的KOH水溶液中浸泡15秒钟；c. 在氮气气氛中退火，温度为700°C，时间为1分钟；d. 硫化处理。
全文摘要
本发明公开了一种具有内增益的紫外探测器及其制备方法。它通过多次表面处理、双次钝化而减小大反偏电压下的暗电流，提高器件的大反偏电压下性能。利用这种方法得到的探测器具有稳定的内增益，可以达到被探测信号在探测器内部被放大的目的，整个测试系统的信噪比也被相应的提高。本发明涉及的探测器具有p-i-n结构，其制备方法包括刻蚀台面、电极生长、钝化层的制备等。相对于普通GaN基紫外探测器，本发明所提供的器件具有内增益，暗电流小，性能稳定，制备工艺简单，探测信噪比高，可以对弱紫外信号进行探测等优点。
文档编号H01L31/105GK101335308SQ200810041159
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者包西昌, 燕 张, 张文静, 超 李, 李向阳, 玲 王, 袁永刚, 许金通 申请人:中国科学院上海技术物理研究所