非极性自支撑GaN基pin紫外光电探测器及制备方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器及制备方法。

背景技术：

紫外探测技术是一种新型光电探测技术，在国防军事上广泛应用于精确制导、紫外高保密通信等领域，在民用方向有环境污染监测、生物分析、天文学、火焰检测等应用。氮化镓(gan)及其系列材料作为第三代半导体，具有禁带宽度大、光谱范围宽的优点，在光电子领域内有巨大的应用价值。gan基三元系合金algan，属于直接带隙半导体，带隙可随al组分的从3.4ev到6.2ev之间连续变化，其带隙对应的峰值响应波长范围为200nm～365nm，恰好覆盖由于臭氧层吸收紫外光而产生的太阳光谱盲区(220～290nm)，因此algan是制作日盲紫外探测器的理想材料之一。

目前，algan/gan紫外光电探测器仍存在问题,例如:高al组分algan材料存在强极化，影响器件的外量子效率，降低了紫外探测器的响应度；algan外延层与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配，相应光电探测器外延结构存在高的位错密度，这样会增大该器件的暗电流；p型掺杂剂mg，在高al组分algan材料中激活能很大，获得高浓度的p型algan较困难。此外该探测器件在反偏工作时，内部存在不均匀的电场，不利于光生载流子的收集；并且在高电压工作时电场密度高的区域容易击穿，使器件击穿损坏。上述诸多问题在一定程度上限制了其应用。

非极性自支撑gan衬底目前受到广泛关注，在制备led、光电探测器以及功率器件方面具有非常好的应用前景。相比于近年来紫外光电探测器普遍使用的蓝宝石衬底，非极性自支撑gan衬底具有极大优势。第一，在非极性自支撑gan衬底上直接外延gan层，是一种晶格匹配的生长，能够获得低缺陷密度的高质量外延材料。第二，与蓝宝石衬底相比，非极性自支撑gan衬底有良好的导电，可以增强紫外光电探测器的散热性。第三，非极性自支撑gan衬底具有好的导电性，可以在衬底背面蒸镀电极，使两个欧姆接触在衬底的不同侧，从而实现垂直电导结构，避免电流聚集在一个区域致使器件击穿损坏。pin紫外光电探测器的高势垒使其暗电流较低，且可以在低偏压下工作，响应速度快，高阻抗适于焦平面阵列读出电路，因此pin紫外光电探测器在性能上优于其他结构紫外光电探测器。为了更好的解决上述问题，我们提出了一种非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器及制备方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于非极性自支撑gan衬底的pin紫外光电探测器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的极化电场较大、外延层与衬底之间晶格失配、p型掺杂困难、内部电场不均匀的问题，且简化紫外光电探测器芯片制备工艺。

为实现上述目的，本发明提供了如下解决方案。

本发明提供了一种非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器，所述探测器包括非极性自支撑gan衬底、n型gan层、n型alx1ga1-x1n渐变层、本征alx2ga1-x2n层、p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层、p型gan盖层、n型欧姆电极和p型欧姆电极；所述n型gan层、n型alx1ga1-x1n渐变层、本征alx2ga1-x2n层、p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层和p型gan盖层在非极性自支撑gan衬底的正面自下而上依次排布；非极性自支撑gan衬底的背面连接n型欧姆电极；p型gan盖层的上表面连接p型欧姆电极。

优选地，所述非极性自支撑gan衬底的厚度为300～500μm。

优选地，所述n型gan层的厚度为100～250nm。

优选地，所述n型alx1ga1-x1n渐变层的al组分x1自下而上按照均匀梯度线性增大，最下层al组分为0，最上层al组分在0.3～0.4之间，n型alx1ga1-x1n渐变层的总厚度为100～350nm。

优选地，所述本征alx2ga1-x2n层的厚度为250～350nm，所述x2满足x2≥x1。

优选地，所述p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层中aly1ga1-y1n层和aly2ga1-y2n层交替生长并重复1～10个周期，每个周期中，aly1ga1-y1n层的厚度为1～20nm，aly2ga1-y2n层的厚度为1～20nm，aly1ga1-y1n层构成势垒，aly2ga1-y2n层构成势阱，势垒或势阱的宽度为1～100nm，所述y1与y2满足y1＞y2≥x2。

优选地，所述p型gan盖层的厚度为20～40nm。

优选地，所述n型欧姆电极为ti/al/ni/au合金电极。

优选地，所述p型欧姆电极为ni/au合金电极。

本发明还提供了一种如上所述非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器的制备方法，所述方法包括如下制备步骤：

(1)利用氢化物化学气相沉积非极性自支撑gan衬底，所述衬底的室温电阻率小于0.05ω·cm；

(2)采用mocvd方法，三甲基镓tmga作为镓源，高纯nh3作为氨源，在上述非极性自支撑gan衬底的正面生长一层n型gan层，掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；

(3)在n型gan层上通过al离子注入，生长al组分逐渐变化的n型alx1ga1-x1n渐变层，掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，al组分x1沿自下而上方向逐渐增大，最下层al组分为0，最上层al组分在0.3～0.4之间，所述n型alx1ga1-x1n渐变层共生长5～10层；

(4)在n型alx1ga1-x1n渐变层上生长一层非故意掺杂的本征alx2ga1-x2n层；

(5)在本征alx2ga1-x2n层上采用mocvd方法生长p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层，掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3；

(6)在p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层上生长一层p型gan盖层，掺杂浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3；

(7)通过电子束蒸发制作欧姆接触的n型电极，将非极性自支撑gan衬底减薄至100～150μm，在非极性自支撑gan衬底背面蒸镀n型欧姆电极，所述n型欧姆电极为ti/ai/ni/au合金电极，蒸镀后在850～900℃的n2环境下退火2～3分钟；

(8)通过电子束激发制作欧姆接触的p型电极，在p型gan盖层上蒸镀p型欧姆电极，所述p型欧姆电极为ni/au合金电极，蒸镀后在600～700℃的n2环境下退火3～5分钟。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

依靠非极性自支撑gan衬底减少与外延层的晶格失配，从而使暗电流减小，减少了器件中产生的复合中心，提高了器件的量子效率，并通过在衬底背面蒸镀欧姆电极，实现垂直电导结构，使内部电场更加均匀，增强器件的散热性，降低器件击穿损坏的风险。依靠n型alx1ga1-x1n渐变层使异质界面的导带带阶变得缓和，减少本征alx2ga1-x2n层与n型gan层之间的晶格失配，降低极化电场，提高了光生载流子的收集效率，从而提高紫外探测器的响应度。依靠超晶格降低p型掺杂mg的激活能，提高mg元素的离化率，从而提高p型掺杂浓度。

附图说明

图1为实施例提供的非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的实施做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本发明提供了一种非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器。参照图1，所述探测器包括非极性自支撑gan衬底101、n型gan层102、n型alx1ga1-x1n渐变层103、本征al0.4ga0.6n层104、p型al0.45ga0.55n/al0.4ga0.6n超晶格层105、p型gan盖层106、n型欧姆电极107和p型欧姆电极108。其中，非极性自支撑gan衬底101厚度为300μm；n型gan层102位于非极性自支撑gan衬底101正面上，其厚度为100nm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；n型alx1ga1-x1n渐变层103位于n型gan层102上，其厚度为100nm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；n型alx1ga1-x1n渐变层103的al组分沿自下而上方向逐渐增大，所述n型alx1ga1-x1n渐变层103共生长5层，自下而上每一层的al组分x1分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4；本征al0.4ga0.6n层104位于n型alx1ga1-x1n渐变层103上，其厚度为350nm；p型al0.45ga0.55n/al0.4ga0.6n超晶格层105位于本征al0.4ga0.6n层104上，所述p型aly1ga1-y1n/aly2ga1-y2n超晶格层(105)中aly1ga1-y1n层和aly2ga1-y2n层交替生长并重复10个周期，每个周期中al0.4ga0.6n层的厚度为4nm，al0.45ga0.55n层的厚度为4nm，aly1ga1-y1n层构成势垒，aly2ga1-y2n层构成势阱，势垒或势阱的宽度为10nm，掺杂浓度均为3×10¹⁸cm^-3；

p型gan盖层106位于p型al0.45ga0.55n/al0.4ga0.6n超晶格层105上，其厚度为30nm，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；n型欧姆电极107位于减薄后的非极性自支撑gan衬底101背面，n型欧姆电极107为ti/ai/ni/au合金电极，ti/ai/ni/au合金电极中的ti、ai、ni、au厚度分别为20nm、120nm、20nm、200nm；p型欧姆电极108位于p型gan盖层106上，p型欧姆电极108为ni/au合金电极，ni/au合金电极中的ni层和au层厚度分别为20nm、200nm。

本实施例还提供了所述非极性自支撑gan基pin紫外光电探测器的制备方法，所述方法包括如下制备步骤：

(1)利用氢化物化学气相沉积非极性自支撑gan衬底101，所述衬底的室温电阻率小于0.05ω·cm；

(2)采用mocvd方法，三甲基镓tmga作为镓源，高纯nh3作为氨源，在上述非极性自支撑gan衬底101的正面生长一层n型gan层102，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

(3)在n型gan层102上通过多次不同能量和剂量的al离子注入，生长al组分逐渐变化的n型alx1ga1-x1n渐变层103，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，所述n型alx1ga1-x1n渐变层103共生长5层，自下而上每一层的al组分x1分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4；

(4)在n型alx1ga1-x1n渐变层103上生长一层非故意掺杂的本征al0.4ga0.6n层104；

(5)在本征al0.4ga0.6n层104上采用mocvd方法生长p型al0.45ga0.55n/al0.4ga0.6n超晶格层105，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

(6)在p型al0.45ga0.55n/al0.4ga0.6n超晶格层105上生长一层p型gan盖层106，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；

(7)将非极性自支撑gan衬底101减薄至100μm，在减薄后的非极性自支撑gan衬底101背面蒸镀n型欧姆电极107，所述n型欧姆电极107为ti/ai/ni/au合金电极，蒸镀后在850℃的n2环境下退火2分钟；

(8)在p型gan盖层106上蒸镀p型欧姆电极108，所述p型欧姆电极108为ni/au合金电极，蒸镀后在600℃的n2环境下退火3分钟。

本发明依靠非极性自支撑gan衬底减少与外延层的晶格失配，从而使暗电流减小，减少了器件中产生的复合中心，提高了器件的量子效率，并通过在衬底背面蒸镀欧姆电极，实现垂直电导结构，使内部电场更加均匀，增强器件的散热性，降低器件击穿损坏的风险。依靠n型alx1ga1-x1n渐变层使异质界面的导带带阶变得缓和，减少本征alx2ga1-x2n层与n型gan层之间的晶格失配，降低极化电场，提高了光生载流子的收集效率，从而提高紫外探测器的响应度。依靠超晶格降低p型掺杂mg的激活能，提高mg元素的离化率，从而提高p型掺杂浓度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。