专利名称：基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN探测器的制作方法
技术领域：
本专利涉及紫外探测器技术,具体是指基于图形化蓝宝石衬底(PSS, PatternedSapphire Substrate)所生长GaN基PIN结构的紫外探测器。
背景技术：
近年来，GaN基材料因其直接禁带半导体的特点，化学性质稳定、带隙可调以及较宽的光谱响应范围，已经成为蓝光激光器和紫外探测器领域的主流材料和研究热点。GaN基LED在节约能源方面有着巨大的应用前景；而使用GaN基半导体探测器代替真空管进行紫外探测，也有其重大的应用背景；目前紫外探测在军事方面也有广泛的应用前景。蓝宝石衬底与GaN外延层由于晶格常数与热膨胀系数的失配，会在界面处产生大 量的缺陷与位错，并且其中有些位错在晶体生长过程中会贯通材料内部，导致器件性能恶化。图形化蓝宝石衬底通过在蓝宝石表面制作微细结构，在材料生长过程中有利于应力的弛豫，并且能够有效减少贯通性位错的产生，提高晶体质量。有报道称采用图形化蓝宝石衬底生长的GaN基材料,位错密度相比普通方法可以减小一个数量级左右(Japanese Journalof Applied Physics49(2010)04DH02)。目前，基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构的紫外探测器尚未见到公开报道。采用该结构制备的紫外探测器，由于缺陷密度小，减小了器件的产生复合中心，提高了器件的量子效率，并且可以使得器件工作在反偏电压下暗电流几乎保持不变，量子效率由于耗尽区的扩展可以得到进一步的提高。器件的响应速度与紫外可见抑制比，也因材料质量的提高而得到明显改善。
发明内容本专利的目的在于基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料，制作一种新型紫外探测器，相比传统紫外探测器，该器件可以明显提高内量子效率，同时可以改善响应速度和紫外可见抑制比。本专利的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其结构为在衬底上首先生长GaN缓冲层2，缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；然后在它之上依次生长n+型GaN材料层3、本征型GaN材料层4和p型GaN材料层5。p型欧姆接触电极6位于p型GaN材料层5上，n型欧姆接触电极7位于刻蚀台阶后暴露出的n+型GaN材料层3上，器件表面及侧面覆盖有钝化层8，钝化层8在p型电极与n型电极位置处开有让电极裸露出来的孔，P型欧姆接触电极与n型欧姆接触电极之上有加厚电极9 ；其中所述的衬底I为图形化蓝宝石晶片，晶向为0001，蓝宝石刻蚀图案是圆形、菱形或六边形，图案呈正六边形分布；所述的GaN缓冲层2的厚度为1_3微米；所述的n+型GaN材料层3，其电子浓度5 X IO17CnT3至I X 1018cm_3，厚度为1-2微米;所述的本征型GaN材料层4为弱n型，电子浓度小于5X 1016cm_3，厚度为0. 1-0. 3微米；所述的P型GaN材料层5的空穴浓度大于I X 1017cm_3，厚度为0. 1-0. 2微米；所述的p欧姆接触电极6为电子束蒸发的Ni/Au/Ni/Au ；所述的n欧姆接触电极7为电子束蒸发的Ti/Al ；所述的钝化层8为磁控溅射或PECVD生长的二氧化硅或氮化硅。本专利的优点在于专利方法所制备的器件，生长材料质量较高，位错、缺陷密度小，器件的暗电流小，性能稳定，反偏电压下暗电流几乎没有明显变化，量子效率却得到大 巾畐提闻。
图I为本专利的制备探测器的剖面结构示意图，该器件基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料制备。
具体实施方式
下文结合说明书附图和具体的实例，对本专利的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器制作过程作详细的说明步骤I :在图形化蓝宝石衬底I上淀积GaN薄膜材料，依次生长缓冲层2、n+GaN材料层3、本征GaN材料层4、p型GaN材料层5，其中缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；步骤2 :外延片清洗，首先将外延片置于三氯甲烷溶液中超声清洗10分钟，然后依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、乙醇清洗外延片，每步清洗4-5分钟，清洗后用N2吹干；步骤3 :将样品置于HF酸中浸泡8分钟，清除表面氧化物，然后用电子束蒸发生长Ni/Au/Ni/Au，母层厚度各为20nm ；步骤4 :将生长电极样品进行涂胶、光刻，光刻胶采用AZ-1500，涂胶后烘烤条件为95°C、3分钟。光刻后，使用Au腐蚀液及Ni腐蚀液将暴露出的图形处电极腐蚀掉,彻底干净后，使用丙酮除去光刻胶；步骤5 :对p电极进行快速热退火以形成欧姆接触，退火条件为空气氛围、550°C、3分钟；步骤6 :涂胶光刻，制备ICP刻蚀掩膜；光刻条件同步骤4 ；步骤7 ICP刻蚀前将样品在105°C热板上烘烤3分钟，增加掩膜致密性；步骤8 :进行ICP刻蚀，刻蚀条件是Ar/Cl2/BCl3 = 3/3/24sccm，刻蚀功率为350W，偏置电压为100V。刻蚀深度要求将P层、本征GaN材料层GaN刻掉，直至n+GaN材料层刻掉200_300nm ；步骤9 :除去光刻胶，并用丙酮超声清洗台阶侧面杂质；清洗后使用空气等离子体处理样品10分钟，保证刻蚀侧面杂质彻底去除；然后将样品置于20% KOH沸腾溶液中浸泡15秒，用去离子水冲洗干净后再用N2吹干；步骤10 :涂胶光刻，生长n电极。光刻胶采用AZ-4620，涂胶后烘烤条件为95°C、3分钟；步骤11 :电子束生长n电极Ti/Al，厚度为30/50nm。步骤12 :将样品置于丙酮溶液中，浸泡5-8分钟；用脱脂棉将多余电极拖掉，清洗干净后用N2吹干；步骤13 :利用PECVD法生长钝化层SiO2或Si3N4,厚度一般为200_300nm ；步骤14 :涂胶光刻得到钝化层腐蚀图形，光刻条件同步骤4 ;使用HF酸缓冲液对钝化层进行开孔，要求将开孔位置处的钝化层彻底腐蚀干净，暴露出电极表面；步骤15 :光刻得到加厚电极图形，光刻条件同步骤10 ；步骤16 :利用离子束溅射设备生长加厚电极Cr/Au，厚度为50/200nm ;用丙酮溶液除胶、清洗，再用N2吹干，操作方法同步骤12 ； 步骤17 :将器件封装在杜瓦中，焊接电极，完成器件制备工作。
权利要求1.一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器件，其结构为在衬底上首先生长GaN缓冲层(2)，然后在它之上依次生长n+型GaN材料层(3)、本征型GaN材料层(4)和p型GaN材料层(5)，p型欧姆接触电极(6)位于p型GaN材料层(5)上，n型欧姆接触电极(7)位于刻蚀台阶后暴露出的n+型GaN材料层(3)上，器件表面及侧面覆盖有钝化层(8)，钝化层(8)在p型电极与n型电极位置处开有让电极裸露出来的孔，p型欧姆接触电极与n型欧姆接触电极之上有加厚电极(9);其特征在于 所述的衬底(I)为图形化蓝宝石晶片，晶向为0001，蓝宝石刻蚀图案是圆形、菱形或六边形，图案呈正六边形分布 所述的GaN缓冲层⑵的厚度为1-3微米； 所述的n+型GaN材料层(3)的厚度为1_2微米； 所述的本征型GaN材料层(4)为弱n型，厚度为0. 1-0. 3微米； 所述的P型GaN材料层(5)的厚度为0. 1-0. 2微米； 所述的P欧姆接触电极(6)为电子束蒸发的Ni/Au/Ni/Au ； 所述的n欧姆接触电极(7)为电子束蒸发的Ti/Al ； 所述的钝化层(8)为磁控溅射或PECVD生长的二氧化硅或氮化硅。
2.根据权利要求I所述的一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其特征在于所述的P型欧姆接触电极￠)图形形状为圆形或环形。
3.根据权利要求I所述的一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其特征在于所述的n型欧姆接触电极(7)图形形状为环形或方形。
专利摘要本实用新型公开了一种基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN探测器，其结构为在图形化蓝宝石衬底上生长较厚缓冲层，包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长，获得质量良好的GaN薄膜材料。再依次生长n+型GaN层、本征GaN层，p型GaN层。在p层表面淀积p欧姆接触电极，将p型薄膜层和本征层刻蚀至n+型薄膜层，刻蚀台面形状为圆形、方形或六边形，在n+型层上淀积n型欧姆接触电极，n型电极为环形或方形。生长钝化层并开孔，暴露出p、n型电极，最后在p电极与n电极上生长加厚电极。本专利方法所制备的器件，生长材料质量较高，位错、缺陷密度小，器件的暗电流小，性能稳定，反偏电压下暗电流几乎不变，量子效率却得到大幅提高。
文档编号H01L31/105GK202534671SQ20122010405
公开日2012年11月14日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者刘福浩, 刘秀娟, 刘诗嘉, 孙晓宇, 李向阳, 王荣阳, 许金通, 陶利友 申请人:中国科学院上海技术物理研究所