大动态响应范围紫外光电探测器及其制作方法

1.本发明属于半导体技术领域，涉及一种大动态响应范围紫外光电探测器，本发明还涉及上述探测器的制作方法。


背景技术：

2.在激光切焊、闪爆、高压漏电、紫外光束矫正、飞行器尾焰等检测场景中，紫外光探测器可以通过检测紫外信号来定位激光焦点、探测危险信号，矫正光束等，但是在这类检测场景中，待探测的紫外光信号功率密度变化范围较大且变化速度较快，需要能够兼顾强弱光探测的高速高频紫外探测器，即大动态响应范围紫外光电探测器。
3.目前硅工艺较为成熟，研究最广泛的大动态响应范围紫外光电探测器是基于硅材料的。但是受禁带宽度限制，硅基紫外光电探测器需要外加滤光片。滤波片结构复杂，工艺难度大，限制了硅基紫外光电探测器的发展。受滤光片的限制，硅基紫外探测系统在弱光探测中的探测精度不高，需要额外附加光电倍增管，不能实现快速探测，且高压下工作的硅基光电二极管易损坏。相比之下，宽禁带半导体由于自身的能带优势可以无需滤光片实现紫外光探测，节约了器件成本，使用寿命更长且方便携带，广受相关领域科研人员青睐。市面上现有的大动态响应范围光电探测器响应速度和精度较低，且重复工作频率不高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种大动态响应范围紫外光电探测器，该紫外光电探测器能实现强弱光快速转换场景下的高频探测。
5.本发明的目的是还提供一种大动态响应范围紫外光电探测器的制作方法。
6.本发明所采用的第一种技术方案是，大动态响应范围紫外光电探测器，包括光电导区，光电导区的上端依次设有si富集层和栅调制区，栅调制区的两端均设有隔离区和阴极；光电导区的下端设有光入射区，光入射区的中部被开设在光电导区底部中心处的凹槽断开，凹槽相对两侧的光入射区为n型重掺杂gan光入射区，n型重掺杂gan光入射区的两端分别设有阳极。
7.本发明第一种技术方案的特点还在于：
8.光电导区为半绝缘gan衬底层。
9.栅调制区包括n型掺杂gan缓冲层，n型掺杂gan缓冲层的上方中心处设有n型掺杂gan孔径区，n型掺杂gan孔径区的相对两侧分别设有p型掺杂gan阻挡层，n型掺杂gan孔径区的上方依次设有n型掺杂gan沟道层、n型algan层、p型重掺杂gan帽层及栅极。
10.隔离区为si3n4隔离区，所述栅极与p型重掺杂gan帽层的相对两端分别设有si3n4隔离区。
11.si3n4隔离区、n型algan层及n型掺杂gan沟道层的相对两端分别设有阴极。
12.本发明采用的第二种技术方案是，大动态响应范围紫外光电探测器的制作方法，具体包括如下步骤：
13.步骤1，对用氢化物气相外延法生长的半绝缘gan衬底做抛光处理，抛光后衬底厚度为48～52μm；用金属有机物化学气相沉积法在衬底上依次生长48～52nm的gan硅富集层和0.2～0.5μm的n型掺杂gan缓冲层；
14.步骤2，在n型掺杂gan缓冲层上表面，用金属有机物化学气相沉积法掺杂mg外延生长p型gan以形成p型掺杂gan阻挡层；在p型掺杂gan阻挡层上方用光刻胶经过涂胶、对准曝光、显影制作掩膜层，暴露出处于中心位置，横向长度为3～4μm的区域，并用电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀该区域；
15.步骤3，对p型掺杂gan阻挡层中心位置进行刻蚀后，通过金属有机物化学气相沉积法在刻蚀区域过生长n型gan，厚度为1.2～1.4μm，形成n型掺杂gan孔径区；对n型掺杂gan孔径区上表面进行过抛光，暴露出光刻胶；去除光刻胶之后再次对表面进行抛光使表面平坦化；
16.步骤4，在步骤3所得的平坦化后的表面上继续通过金属有机物化学气相沉积法依次外延n型掺杂gan沟道层、n型掺杂algan层和p型重掺杂gan层；
17.步骤5，在p型重掺杂gan层表面涂覆增黏剂六甲基二硅氮烷，并在烘箱中烘干，之后用光刻胶进行匀胶、显影、光刻、电感耦合等离子体刻蚀该层两侧1.8～2.2μm，去胶、烘干后形成重p型掺杂gan帽层；
18.步骤6，在重p型掺杂gan帽层的上方制作光刻胶掩膜，暴露出器件左右两侧0.9～1.1μm区域，利用电感耦合等离子体刻蚀法对左右两边进行刻蚀，暴露出p型gan电流阻挡层，并磁控溅射ti/al合金淀积两边金属阴极；
19.步骤7，在未被覆盖的n型掺杂algan层和p型重掺杂gan帽层上方再次制作掩膜，利用磁控溅射淀积ni/au/ni合金并剥离形成栅极；用等离子体增强化学气相沉积法在n型掺杂algan层上方淀积si3n4并图形化形成si3n4隔离区；
20.步骤8，将器件翻转，在半绝缘gan衬底，的阳极面n面上通过金属有机物化学气相沉积法外延生长n型重掺杂gan光入射区并其上涂光刻胶制作掩模版暴露出左右两侧0.8～1.2μm区域；
21.步骤9，电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀左右两侧光入射区，离子注入si杂质，剂量为1
×
10
19
cm-3
、能量为90ev、倾角为7
°
，之后，磁控溅射ti/al合金并剥离形成阳极；
22.步骤10，在阳极面上做光刻胶掩膜并图形化暴露出中心位置3～4μm区域，通过电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀出凹槽，槽深为9～12μm；
23.步骤11，在n2氛围中、在850℃下退火30s-40s使阳极和阴极形成欧姆接触，而栅极与p型重掺杂gan帽层接触，在此条件下仍保持所需的肖特基接触。
24.本发明的有益效果是，本发明提供的algan/gan hemt结构与n沟道jfet结构及半绝缘gan衬底的结合后，得益于hemt结构中的二维电子气及gan材料本身的迁移率优势，光电探测器的响应速度有所提高，如图4所示，且响应频率上升。本结构中存在反偏pn结从而抑制了暗态漏电流，减小探测器的噪声。此外，通过控制栅压的大小来控制通孔处导电通道的大小，可以实现不同强度光信号的探测，扩大响应范围。
附图说明
25.图1是功率脉冲激光入射本发明一种大动态响应范围gan紫外光电探测器的结构
示意图；
26.图2是本发明一种大动态响应范围gan紫外光电探测器的实施例在x＝0处纵向上的电场分布图；
27.图3是本发明一种大动态响应范围gan紫外光电探测器的实施例在有无凹槽情况下的输出电流对比图；
28.图4是本发明一种大动态响应范围gan紫外光电探测器的实施例1ns脉冲光照射下的输出光电流图，反应了其响应速度；
29.图5是本发明一种大动态响应范围紫外光电探测器的工作流程图；
30.图6是本发明一种大动态响应范围紫外光电探测器的实施例在不同光功率密度，3v、4v、6v三个不同栅压下的阳极电流。
31.图中，1.p型重掺杂gan帽层，2.n型algan层，3.n型掺杂gan沟道层，4.p型掺杂gan阻挡层，5.n型掺杂gan孔径区，6.n型掺杂gan缓冲层，7.si富集层，8.半绝缘gan衬底层，9.n型重掺杂gan光入射区，10.凹槽，21.阳极，22.阴极，23.栅极，24.si3n4隔离区，25.待测光。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
33.本发明是一种大动态响应范围gan紫外光电探测器，如图1所示，整个器件分为外延层和衬底层。衬底层为半绝缘gan衬底8，在半绝缘gan衬底8的下表面上制作有n型重掺杂gan光入射区9和阳极21，并且为了防止光25从器件背面入射时，光生载流子会堆积在器件下方，使得光生电流减小的现象出现，在器件背面也就是半绝缘gan衬底8的下表面做刻蚀凹槽10。在半绝缘gan衬底8的上表面进行外延，外延层包括：n型掺杂gan缓冲层6，n型掺杂gan孔径区5，p型掺杂gan阻挡层4，n型掺杂gan沟道层3，n型掺杂algan层2和p型重掺杂gan帽层1。其中n型掺杂algan层2和n型掺杂gan沟道层3之间形成了二维电子气，在实际外延过程中衬底层和外延层之间会形成gan硅富集层7。在p型重掺杂gan帽层1的上表面制作有栅极23，在n型掺杂algan层2，n型掺杂gan沟道层3的两端制作有阴极22，上方制作有si3n4隔离区24。
34.本发明还提供一种大动态响应范围紫外光电探测器的制作方法，工艺流程如下：
35.步骤1，对用氢化物气相外延法生长的半绝缘gan衬底8(fe掺杂使得衬底电阻为1
×
108～1
×
109ω
·
cm)做抛光处理，抛光后衬底厚度为48～52μm；用金属有机物化学气相沉积法在衬底上依次生长48～52nm的gan硅富集层7(n2＝6
×
10
16
～1
×
10
17
cm-3
)和0.2～0.5μm的n型掺杂gan缓冲层6(n3＝8
×
10
15
～2
×
10
16
cm-3
)；
36.步骤2，在n型掺杂gan缓冲层6上表面，用金属有机物化学气相沉积法掺杂mg外延生长0.6～1.4μm的p型gan(p1＝8
×
10
16
～2
×
10
17
cm-3
)以形成p型掺杂gan阻挡层4；在p型掺杂gan阻挡层4上方用az5214光刻胶经过涂胶、对准曝光、显影制作掩膜层，暴露出处于中心位置，横向长度为4μm的区域，并用电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀该区域，刻蚀深度为0.8～1.2μm；
37.步骤3，对p型掺杂gan阻挡层4中心位置进行刻蚀后，通过金属有机物化学气相沉积法在刻蚀区域过生长n型gan(n4＝1
×
10
16
～3
×
10
16
cm-3
)，厚度为1.2～1.4μm，形成n型掺杂gan孔径区5；对上表面进行过抛光，暴露出光刻胶；去除光刻胶之后再次对表面进行抛光
使表面平坦化；
38.步骤4，在平坦化后的表面上继续通过金属有机物化学气相沉积法依次外延0.09～1.1μm的n型掺杂gan沟道层3(n5＝5
×
10
15
～5
×
10
16
cm-3
)、23～27nm的n型掺杂algan层2(n6＝1
×
10
14
～1
×
10
16
cm-3
)和0.2μm的p型重掺杂gan层(p2＝1
×
10
18
～5
×
10
18
cm-3
)；
39.步骤5，在p型重掺杂gan层表面涂覆增黏剂六甲基二硅氮烷(hmds)，并在烘箱中预处理28～32s，之后用az5214光刻胶进行匀胶、显影、光刻、电感耦合等离子体刻蚀该层两侧1.8～2.2μm、去胶、烘干后形成重p型掺杂gan帽层1；
40.步骤6，在重p型掺杂gan帽层1的上方制作光刻胶掩膜，暴露出器件左右两侧0.9～1.1μm区域，利用电感耦合等离子体刻蚀法对左右两边进行刻蚀，暴露出p型gan电流阻挡层4，并磁控溅射ti/al合金淀积两边金属阴极22；
41.步骤7，在未被覆盖的n型掺杂algan层2和p型重掺杂gan帽层1上方再次制作掩膜，利用磁控溅射淀积ni/au/ni合金并剥离形成栅极23；用等离子体增强化学气相沉积法在n型掺杂algan层2上方淀积si3n
4 24并图形化形成si3n4隔离区24；
42.步骤8，将器件翻转，在半绝缘gan衬底8的阳极面n面上通过金属有机物化学气相沉积法外延生长n型重掺杂gan光入射区9(n7＝8
×
10
15
～2
×
10
16
cm-3
)并其上涂光刻胶制作掩模版暴露出左右两侧0.8～1.2μm区域；
43.步骤9，电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀左右两侧光入射区，离子注入si杂质，剂量为1
×
10
19
cm-3
、能量为90ev、倾角为7
°
；之后，磁控溅射ti/al合金并剥离形成阳极21；
44.步骤10，在阳极面上做光刻胶掩膜并图形化暴露出中心位置3～4μm区域，通过电感耦合等离子体刻蚀法刻蚀出凹槽10，槽深为9～12μm；
45.步骤11，在n2氛围中、在800～950℃下退火30s～40s，该温度能使n型重掺杂与阳极21、阴极22金属接触面形成欧姆接触，而该退火条件低于栅极金属与p型重掺杂gan帽层1接触面形成欧姆接触所需要的退火条件，因此栅极金属与p型重掺杂gan帽层1接触面仍保持本器件所需的肖特基接触，使得栅极不会出现较大的漏电流。
46.实施例
47.本实施例采用的结构参数如下表1所示：
48.表1
[0049][0050]
本发明的工作过程如下：
[0051]
静态时(即每个周期内光、电触发信号均未到来时)，没有外加栅压，栅极23下方的二维电子气，孔径处的导电通道处于夹断状态，绝缘栅结构和半绝缘gan衬底8共同分担外加偏置电压us。随着外加偏置电压us的变化，存在以下三种情况：(1)当外加偏置电压不足以使反偏pn结的空间电荷区扩展到半绝缘gan衬底8时，半绝缘gan衬底8承压，漏电流约为零；(2)外加偏压us刚好使反偏pn结的空间电荷区扩展到n型掺杂gan缓冲层6与半绝缘gan衬底8的边界处，外延结构承担绝大多数外加偏压；(3)外加偏压大于外延结构最大承压时，空间电荷区开始向下扩展。由于，随着外加偏压的上升，空间电荷区会快速耗尽极弱的n型掺杂的半绝缘gan衬底8中的电子直至扩展到阳极21的n型重掺杂gan光入射区9，至此，空间电荷区迅速截止。
[0052]
动态时，通过外加栅压信号控制二维电子气沟道导通，孔径5可以随着外加偏压的增加，从关断到单侧夹断再到开通。器件外延层完全开通时，承担电压为外延层的导通压降，其导通压降与外加偏置电压相比可以忽略。因此外加偏压几乎完全施加在半绝缘gan衬底8上，此时的状态称为器件的“待探测”状态。
[0053]
为实现对光信号25的快速响应，在光信号25到来之前，需要使探测器处于“待探测”状态。光信号25使半绝缘gan衬底8产生过剩的电子-空穴对，载流子的“大注入”使得半绝缘gan衬底8的电导率增加。在电场作用下，电子-空穴对分离，各自向阳极和阴极运动形成光电流，实现对紫外光信号到电信号的转换。在1ns脉冲光照射下，器件的响应与恢复时间，如图4所示，响应时间为0.4ns，恢复时间为19.1ns。通过调节栅压大小来控制孔径5处的夹断程度，在探测强光时减小通道，探测弱光时增大通道，在提高弱光探测灵敏度的同时实现强光自适应，避免强光饱和，甚至a/d转换器损坏的现象出现。
[0054]
撤去栅压和光信号，半绝缘gan衬底8的光生非平衡载流子会因为电极反向抽取和
电子空穴对复合快速消失，使半绝缘gan衬底8恢复高阻状态，这时探测器被关断，整个器件恢复到之前的静态期。静态时器件的内部分压情况如图2所示。此时器件暗态漏电流小于2
×
10-14
a。
[0055]
大动态响应范围光探测的具体实现方案见图5：在初始状态，需要给出a/d转换器的饱和电压v
max
、器件栅极阈值电压v
gth
、栅极饱和电压v
gsat
、采样电阻值r，同时初始化计数器n＝1，栅压vg＝(v
gsat-v
gth
)/2。uv-pd的中档位栅压(v
gsat-v
gth
)/2可以确保栅调制结构通道导通，在光信号照射下输出光电流i(n)，之后a/d转换器通过采样电阻将输出的光电流信号转换为电压信号uo(n)，uo(n)＝i(n)
·
r。此时，用mcu模块对数据进行整合处理，根据uv-pd的栅控光电流特性i(ρ,vg)用查表法反演实际光功率密度ρ(n)，同时对a/d转换器采集到的电压信号进行判定，如果其电压信号在a/d转换器限定电压u
ad
的20％到90％范围内保持原有栅压不变，小于限定电压的20％时增大栅压，大于限定电压的90％时减小栅压，通过查表法调整vg至合理的栅压档位。以3v、4v、6v三个不同栅压档位为例，测试器件在不同光功率密度的光信号下的响应情况，其结果如图6所示，经栅调制后器件输出电流为图中实线部分。
[0056]
本发明大动态响应范围紫外光电探测器的特点为：
[0057]
1.本发明基于栅压调制导电通道的形貌，合理抑制强光下的器件通流能力，使光电流的采样信号幅值始终小于a/d转换器的最大耐受电压v
max
，即紫外光电探测器(ultraviolet photodetector,uv-pd)的阳极输出电流小于a/d转换器最大允许电流i
max
(i
max
＝0.9v
max
/r)，从而增大器件对紫外光强的动态响应范围。除此之外，由于静态时该器件结构衬底层有一定的分压，可以提高对光信号的探测速度。
[0058]
2.本发明将电流孔径垂直结构和半绝缘衬底的优势相结合，设计了一种新的gan紫外光电探测器结构，如图1所示。该结构以半绝缘gan为衬底，在其上外延n沟道jfet结构和p栅gan hemt结构，从阴极到阳极分别为：p型重掺杂gan帽层，n型algan层，n型掺杂gan沟道层，p型掺杂gan阻挡层，n型掺杂gan孔径区，n型掺杂gan缓冲层，si富集层，半绝缘gan衬底层，n型重掺杂gan光入射区。
[0059]
3.本发明中，p型掺杂gan电流阻挡层是栅调制结构的核心部分。一方面，p型电流阻挡层与n型掺杂gan孔径区构成了一个有着纵向通道的jfet结构，在关断状态下，p型阻挡层耗尽n型掺杂gan孔径区，阻挡了垂直方向上的电子电流流动，实现器件的高耐压；在开通状态下电子电流只能从两个电流阻挡层中间的孔径处通过，其电流大小受栅极调制下的导电通道形貌所限制，通过改变栅压可以扩大探测器的动态响应范围。另一方面，p型电流阻挡层与下方n型掺杂gan缓冲层可形成反偏pn结，该结构可以通过空间电荷区对半绝缘gan衬底内载流子的驱逐作用来降低暗态漏电流，提高探测器的信噪比。
[0060]
4.本发明提供的光电探测器结构中的半绝缘gan衬底相当于一个光敏电阻，需要一种半绝缘的高阻衬底。形成高阻gan衬底需要降低其背景载流子浓度。目前工艺上通过fe，cr，或者o深受主杂质补偿自然生长的n型gan材料来生长具有高电阻率的gan衬底。fe掺杂是其中比较成功的选择，fe以fe
3+
或fe
2+
的形式结合在gan中，其受主能级分别位于价带顶2.6ev和1.7ev处，并且fe掺杂是不会明显降低材料的结晶质量和器件的可靠性。
[0061]
5.器件阳极面有一刻蚀槽，在入射光恒定的条件下，该刻蚀槽可以在纵向上产生空间差，使一部分光生载流子的初始分布位置脱离阳极重掺杂低场区域，即所谓的“死区”，
避免因载流子堆积导致光生电子空穴对寿命缩短的问题，此外，刻蚀槽可以缓解因为载流子堆积，电场强度下降导致漂移速度下降的问题，促进光生载流子的漂移，解决了光从器件背面入射时，光生载流子堆积在器件阳极侧，使得光生电流减小的问题，增加了光生载流子的利用率，提高了探测器的探测灵敏度，有无凹槽情况下的器件输出电流对比如图3所示，刻蚀凹槽后器件的输出电流有明显提升。