一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器及制备方法与流程

1.本发明属于半导体领域，具体涉及一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器及制备方法。


背景技术：

2.光电探测器工作原理是通过将光信号转化为电信号。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。第三代半导体材料氮化镓(gan)相较于一二代具有较宽的带隙(禁带宽度为3.4ev、抗辐射、耐高温、低介电常数等优良特性，已被广泛应用与电子电力器件、光电器件之中。近几年科学技术飞快发展，氮化镓基电子电力器件发展更为迅猛，其特征尺寸正在突破1nm。
3.目前gan异质外延最常用的衬底材料是蓝宝石、sic和si。而蓝宝石与氮化镓的失配率达
‑
16.09％，si与氮化镓之间也有16.9％的晶格失配和56％的热失配，使得si上外延gan的应力很大，在si上生长高质量、不开裂的gan及其异质结是难度非常大的。
4.综上，由于微纳米氮化镓探测器发展缓慢，但现有器件晶体质量较低、体表面积较大导致尺寸也较大。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法，包括：
7.s1、提供一碳化硅衬底；
8.s2、在所述碳化硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；
9.s3、对所述二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成用于生长微米线的若干凹槽结构；
10.s4、在所述凹槽结构内外延生长氮化镓微米线，其中，所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致；
11.s5、在所述微米线表面蒸镀若干叉指电极。
12.在一个具体实施方式中，所述步骤s4之前还包括：
13.通过金属有机化学气相沉积法在所述凹槽结构中外延生长一层氮化铝缓冲层以在所述氮化铝缓冲层上外延生长氮化镓微米线。
14.在一个具体实施方式中，所述s3步骤包括：
15.s31、在所述二氧化硅绝缘层表面旋涂一层光刻胶，通过前烘、曝光、后烘以及显影后使所述二氧化硅绝缘层表面形成周期性排列的条形外延图形；
16.s32、根据所述条形外延图形对所述二氧化硅绝缘层进行选择性刻蚀，然后对所述绝缘层进行去胶处理，得到用于生长微米线的若干凹槽结构。
17.在一个具体实施方式中，所述步骤s5包括：
18.通过热蒸镀或者磁控溅射工艺在碳化硅衬底上设有氮化镓微米线的一面蒸镀或者磁控溅射au金属以形成若干叉指电极，并使得相邻两个叉指电极之间的间距为2
‑
20μm。
19.本发明同时提供一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器，包括：
20.碳化硅衬底；
21.二氧化硅绝缘层，间隔形成在所述碳化硅衬底上，以使未覆盖所述二氧化硅绝缘层的衬底上形成若干凹槽结构；
22.氮化镓微米线，形成在所述凹槽结构内，并且所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致；
23.氮化铝缓冲层，形成在所述凹槽结构的氮化镓微米线下方；
24.若干叉指电极，设置在所述氮化镓微米线和所述二氧化硅绝缘层上方且与所述凹槽结构方向平行，其中，所述凹槽结构的横截面为长方形，所述氮化镓微米线的横截面的形状为梯形，相邻两个叉指电极之间的间距为5
‑
20μm。
25.在一个具体实施方式中，所述凹槽结构的宽度为8
‑
12μm，所述凹槽结构的深度为3.5
‑
4.5μm，每两个凹槽结构之间的间距为8
‑
10μm。
26.在一个具体实施方式中，所述氮化镓微米线的高度为3
‑
4μm。
27.在一个具体实施方式中，所述氮化铝缓冲层的厚度为25
‑
250nm。
28.在一个具体实施方式中，所述二氧化硅绝缘层的厚度为2.5
‑
4μm。
29.本发明的有益效果：
30.本发明的碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器采用直接在碳化硅衬底上生长氮化镓微米线，在碳化硅上生长的氮化镓具有很低的晶格失配和热失配，可以获得较好的晶体质量。并且可以根据可控凹槽图案生长具有更大体表面积的微米线。在所述生长氮化镓表面镀上叉指电极，增加了光电接触面积，并且由于电极之间的小间距。使得该光电探测器的暗电流低、响应速度快、开/关电流比高以及探测范围长，综合性能好，并且器件结构简单，易于制造。
31.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器的制备方法流程示意图；
33.图2是本发明实施例提供的一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器结构示意图；
34.图3为本发明提供的一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器的未生长有氮化镓微米线时的并且绝缘层经过刻蚀后的衬底结构示意图；
35.图4为本发明提供的一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器的外延生长有氮化镓微米线的衬底结构示意图；
36.图5为图4中的生长有氮化镓微米线的衬底的截面示意图；
37.图6为图2的光电探测器在电极位置处的截面图；
38.图7为图2的光电探测器沿着凹槽的延伸方向在凹槽侧壁位置处所截的截面示意图；
39.图8为本发明提供的一种氮化镓微米线阵列光电探测器在5v外加电压，325nm，1mw/cm2光照射下的i
‑
t(部分)；
40.图9为本发明提供的一种氮化镓微米线阵列光电探测器在325nm不同光功率光照射下的i
‑
v图。
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
42.实施例一
43.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器，包括：
44.s1、提供一硅衬底，具体的，本实施例采用2英寸的本征型硅片作为衬底，该硅衬底为高阻硅片(电阻率为＞106ω
·
cm)，硅片晶向为<100>。
45.s2、在所述碳化硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；在本实施例中，可以通过热还原法在2英寸的硅片表面形成一层2.5
‑
4μm的二氧化硅绝缘层。
46.s3、对所述二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成用于生长微米线的若干凹槽结构，其中凹槽结构的宽度为8
‑
12μm，凹槽结构的深度为3.5至4.5μm，每两个凹槽结构之间的间距为8
‑
10μm；
47.具体的步骤s3为：
48.s31、在所述二氧化硅绝缘层表面旋涂一层光刻胶，通过前烘、曝光、后烘以及显影后使所述二氧化硅绝缘层表面形成周期性排列的条形外延图形；其中，光刻胶厚度为2μm；条形外延图形的条纹间距宽度均为8μm；
49.s32、根据所述条形外延图形对所述二氧化硅绝缘层进行选择性刻蚀，然后对所述绝缘层进行去胶处理，得到用于生长微米线的若干凹槽结构。
50.具体处理工艺为，根据周期性排列的条形外延图形对碳化硅衬底的上表面进行选择性刻蚀，然后对碳化硅衬底进行去胶处理；在选择性刻蚀时，利用缓冲蚀刻液(boe溶液)对未有光刻胶保护的二氧化硅绝缘层进行刻蚀，形成8μm碳化硅衬底与10μm光刻胶保护的二氧化硅层交替出现，之后利用丙酮和异丙醇去胶，再用去离子水进行清洗，并使用氮气枪将衬底表面吹干最终形成若干凹槽结构。
51.s4、在所述凹槽结构内外延生长氮化镓微米线并且使得氮化镓微米线略高于所述二氧化硅绝缘层，其中，所述微米线延伸方向与凹槽结构延伸方向一致。特别地，所述氮化镓微米线的横截面为梯形；所述梯形一边与凹槽底部接触。
52.优选的，在外延生长氮化镓微米线还可以通过金属有机化学气相沉积法在所述凹槽结构中外延生长一层厚度为25
‑
250nm氮化铝缓冲层，之后在氮化铝缓冲层上外延生长氮化镓微米线。氮化铝缓冲层的作用使生长的氮化镓质量更好；氮化铝缓冲层可以防止电流从硅衬底处流出，从而起到绝缘的作用。所述氮化铝缓冲层的厚度设置为25
‑
250nm，如果氮化铝缓冲层的厚度低于25nm的话就无法起到绝缘作用，而大于250nm则会在凹槽和绝缘层20上面形成一片氮化铝，导致暗电流增加。
53.本实施例的凹槽为矩形结构，且微米线正置于凹槽中，使得在后续电极生长时工
艺更加简单。此外本实施例不需要对碳化硅衬底进行刻蚀，进一步简化了工艺流程，从而使成本大大降低。
54.s5、在所述微米线表面蒸镀若干叉指电极；
55.该步骤在具体实施时可以是通过热蒸镀或者磁控溅射工艺在硅衬底上设有氮化镓微米线的一面蒸镀或者磁控溅射au金属以形成若干叉指电极，并使得相邻两个叉指电极之间的间距为10μm。
56.实施例二
57.请参见图2
‑
图6，本实施例的碳化硅基氮化镓微米线阵列光电探测器可以由实施例一的方法进行制备，该器件包括：
58.碳化硅衬底10；
59.二氧化硅绝缘层102，间隔形成在所述碳化硅衬底10上，以使未覆盖所述二氧化硅绝缘层102的衬底上形成若干凹槽结构101，其中绝缘层102的电阻率大于10
16
ω
·
cm；
60.氮化镓微米线30，形成在所述凹槽结构101内，并且所述氮化镓微米线30延伸方向与凹槽结构101延伸方向一致，其中，氮化镓微米线30有多条，呈阵列形状；
61.氮化铝缓冲层40，形成在所述凹槽结构101的氮化镓微米线30内部；氮化铝缓冲层40可以使生长的氮化镓获得更好的晶体质量；氮化铝缓冲层40起到绝缘的作用，因为其可以防止电流从碳化硅衬底处流出。
62.若干叉指电极20，设置在所述氮化镓微米线30和所述二氧化硅绝缘层102上方且与所述凹槽结构101方向平行，且呈阵列形状，其中，所述凹槽结构101的横截面为长方形，所述氮化镓微米线30的横截面的形状为梯形，相邻两个叉指电极20之间的间距为2
‑
20μm。凹槽结构101具有限制微米线生长区域与形状作用，长方形形状的凹槽使得微米线可以更好地生长成截面为梯形形状的微米线，并且可以避免出现大量缺陷，提高晶体质量。
63.在凹槽结构101中生长氮化镓微米线的方式可以充分利用碳化硅衬底有效面积，使得体表面积比变大，并且氮化镓微米线在凹槽结构101内的限制区域中生长，可以减少不必要的晶格失配与热失配所引起的缺陷，从而获得较高的晶体质量。该结构增大了探测器受光面积，使其可以充分吸收能量，产生更多的非平衡光生载流子，从而使探测器响应速度增快，提高光/暗电流比。该光电探测器的光/暗电流比较高、响应迅速、开/关电流比高以及探测范围广，并且器件结构易于生长制造。
64.该光电探测器的工作过程为：通过所述氮化镓微米线30吸收光辐射，产生非平衡光生载流子；在加压的叉指电极20间形成电子空穴分离，而电子移向正极，空穴移向负极。
65.特别地，所述氮化镓微米线30的横截面为梯形；所述梯形一边与凹槽结构101底部接触；氮化镓微米线30的生长高度优选为3～4μm，当其生长高度位于3
‑
4μm之间时，氮化镓微米线30会生长成横截面为梯形的形状。如果生长高度太小，最后所生长的微米线的横截面为方形，那样会产生较大的缺陷；如果高度太大，两根微米线生长之后就会触碰到一起，从而使得顶端断裂，导致漏电流过大。
66.作为一种优选的实施方式，所述氮化镓微米线30与所述凹槽结构101的底部设有氮化铝缓冲层40，所述氮化铝缓冲层40的厚度为25
‑
250nm。氮化铝缓冲层40的作用使生长的氮化镓质量更好；氮化铝缓冲层40可以防止电流从碳化硅衬底处流出，从而起到绝缘的作用。所述氮化铝缓冲层40的厚度设置为25
‑
250nm，如果氮化铝缓冲层40的厚度低于25nm
的话就无法起到绝缘作用，而大于250nm则会在凹槽和绝缘102上面形成一片氮化铝，导致暗电流增加。
67.作为一种优选的实施方式，所述凹槽结构101优选为长方形形状的凹槽，即其截面为长方形，凹槽结构101的宽度为8至12μm，所述凹槽结构101的深度为3.5至4.5μm，每两个凹槽结构101之间的间距为8
‑
10μm。所述凹槽结构101具有限制微米线生长区域与形状的作用，方行凹槽可以限制微米线在平行方向长成梯形，增加比表面积，提高光吸收能力，并且可以进一步限制微米线在横向生长尺寸，使得微米线可以更好地生长成截面为梯形形状的微米线，避免出现像薄膜结构由于膜与膜之间发生交叠出现大面积晶格失配导致出现大量缺陷的问题，提高了晶体质量。
68.为了更好的说明本实施例的效果，请参见图7
‑
图8，本实施例提供的光电探测器在5v外加电压下，无光照条件下的电流(暗电流)为10
‑
10
a，而在325nm波长，不同强度光照射下分别产生不同的电流(光电流)。在325nm，9mw/cm2光照射下，电流提升了245倍；325nm，9mw/cm2光照射下，当撤去光源时，光电流的下降时间为18ms，上升时间为16ms；这些数据表面碳化硅基氮化镓微米线具有较好的光电探测性能。(注：上升时间指的是给光照时暗电流上升到稳定电流的90％所需时间、下降时间指的是移除光照时光电流下降到原来稳定的10％所需时间。mw/cm2表示的是光功率密度，表示每平方厘米所受到的光照辐射强度，光功率密度越大，说明光照越强)。
69.由于薄膜材料在生长过程会出现晶格失配、热失配等问题，从而在外延薄膜中产生大量的缺陷与位错，降低器件性能；而本实施例制备的微米线克服了薄膜材料存在的上述问题，能够获得高晶体质量的微米线阵列，提高器件性能。
70.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
71.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
72.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
73.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
74.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
75.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。