CN101101935A - 提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，器件结构包括：一衬底；一成核层，该成核层制作在衬底上；一高浓度的N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；一有源层，该有源层制作在N型欧姆接触层上面的中间；一肖特基接触电极，该肖特基接触电极制作在有源层上；一欧姆接触电极，该欧姆接触电极为点状结构或环形结构，制作在欧姆接触层上面的两侧。

Description

提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器及制作方法

技术领域

本发明涉及到半导体器件技术领域，特别是指一种提高氮化镓(GaN)基肖特基结构性能的紫外探测器及制作方法。

背景技术

作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)，在光电子学领域内有巨大的应用价值。GaN紫外探测器是一种非常重要的GaN基光电子器件，在导弹告警、火箭羽烟探测、紫外通信、生化武器探测、飞行器制导、宇宙飞船、火灾监测等民用、军用领域有着重要的应用价值。与Si紫外探测器相比，GaN基紫外探测器由于具有可见光盲、量子效率高、可以在高温和苛性环境下工作等等不可比拟的优点，在实际应用中可以做到虚警率低、灵敏度高、抗干扰能力强，极大的受到了人们的关注。

目前，国际上已研制出MSM(金属-半导体-金属)结构、肖特基结构、pin结构等多种结构的GaN紫外探测器，其中肖特基结构由于回避了难度较大的P型GaN，受到了人们的关注。但是由于深能级的存在，光生载流子很容易在耗尽区复合，从而降低了器件的外量子效率，另外，这些深能级也能加剧隧穿电流，增加了噪声，阻碍了器件的实际应用和进一步发展。

发明内容

本发明目的在于，提出了一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器及制作方法，该结构和方法能够减小有源区深能级缺陷密度，从而有效的减小光生载流子复合和隧穿电流，从而提高了器件的性能。

本发明一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，器件结构包括：

一衬底；

一成核层，该成核层制作在衬底上；

一高浓度的N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；

一有源层，该有源层制作在N型欧姆接触层上面的中间；

一肖特基接触电极，该肖特基接触电极制作在有源层上；

一欧姆接触电极，该欧姆接触电极为点状结构或环形结构，制作在欧姆接触层上面的两侧。

其中衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。

其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料。

其中高N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3。

其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3。

本发明一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底上利用外延生长设备生长成核层；

(2)在成核层上生长高N型掺杂浓度欧姆接触层；

(3)在高N型掺杂浓度欧姆接触层上生长有源层；

(4)将高N型掺杂浓度欧姆接触层上的有源层的两侧四周部分刻蚀；

(5)在有源层的上面制作N型肖特基电极；

(6)在高N型掺杂浓度欧姆接触层的上面两侧制作N型欧姆接触电极；

(7)将衬底减薄；

(8)然后进行管芯分割，封装在管壳上，完成氮化镓基紫外探测器的制作。

其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。

其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料。

其中高N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3。

其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3。

其中N型欧姆电极为点状结构或环形结构。

其中将衬底减薄至90-110微米。

本发明提出了的方法减小了有源区深能级缺陷密度(主要是Ga空位、Al空位等等)，有效的提高了GaN基肖特基结构紫外探测器性能，其特征在于，在GaN基肖特基结构探测器材料结构有源层N--AlxGa 1-xN(0≤x≤1)中，采取非故意掺杂，研究结果表明，少量的Si掺杂，能够明显的增加Ga空位、Al空位等点缺陷浓度，这些缺陷属于深能级缺陷，能够有效的减小少子扩散长度和少子寿命，增加了光生载流子的复合几率。同时，这些深能级点缺陷还能有助于增加隧穿几率，从而增加了器件的暗电流和噪声。而非故意掺杂，却能明显的降低这些点缺陷的密度，所以，本发明提出的提高GaN基肖特基结构紫外探测器性能的方法，能够减小深能级点缺陷对光生载流子的复合和隧穿几率，从而有效的提高了器件的外量子效率和降低了器件的噪声。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明适用的GaN基肖特基结构紫外探测器结构示意图。

图2是两种器件光电流谱实验结果。其中，实线表示有源区采用非故意掺杂的N--GaN层光电流谱，虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层的光电流谱。

图3是两种器件IV特性实验结果。其中，实线表示有源区采用非故意掺杂的N--GaN层IV特性曲线虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层的IV特性曲线。

图4是两种器件的正电子湮灭实验结果。其中，方形实点表示的是有源区采用非故意掺杂的N--GaN层的肖特基结构器件，虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层的肖特基结构器件。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，器件结构包括：

一衬底10，该衬底10为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料；

一成核层11，该成核层11制作在衬底10上，该成核层11为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料；

一高浓度的N型欧姆接触层12，该N型欧姆接触层12制作在成核层11上，该高N型欧姆接触层12为高电子浓度的N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3；

一有源层13，该有源层13制作在N型欧姆接触层12上面的中间，该有源层13为非故意掺杂的N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3；

一肖特基接触电极14，该肖特基接触电极14制作在有源层13上；

一欧姆接触电极15，该欧姆接触电极15为点状结构或环形结构，制作在欧姆接触层12上面的两侧。

请再参阅图1所示，一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底10上利用外延生长设备生长成核层11，所述的衬底10为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料，该成核层11为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料；

(2)在成核层11上生长高N型掺杂浓度欧姆接触层12，该高N型欧姆接触层12为高电子浓度的N型AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3；

(3)在高N型掺杂浓度欧姆接触层12上生长有源层13，该有源层13为非故意掺杂的N型AlxGa1-xN(0≤x1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3；

(4)将高N型掺杂浓度欧姆接触层12上的有源层13的两侧四周部分刻蚀；

(5)在有源层13的上面制作N型肖特基电极14；

(6)在高N型掺杂浓度欧姆接触层12的上面两侧制作N型欧姆接触电极15，该N型欧姆电极15为点状结构或环形结构；

(7)将衬底10减薄；

(8)然后进行管芯分割，封装在管壳上，完成氮化镓基紫外探测器的制作。

其中将衬底10减薄至90-110微米。

请再结合参阅图1所示，本发明提出的高性能的GaN基肖特基结构紫外探测器的制备过程如下：在硅、蓝宝石、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料为衬底10，利用MOCVD、MBE或者其他生长GaN材料的设备生长出器件结构，该结构包括成核层11、N型欧姆接触层12、有源层13。然后用光刻、镀膜等方法先后作出肖特基接触电极14、欧姆接触电极15，其中，需要热退火来实现肖特基透明电极和改善肖特基接触特性。最后再进行减薄、分割、压焊、封装成紫外探测器器件。在器件结构中，我们采取非故意掺杂的N--AlxGa1-xN层作为有源层13，该层有较小的Ga空位、Al空位等点缺陷密度，从而降低了光生载流子的复合几率和隧穿几率，有效的提高了器件的外量子效率、减小了器件的噪声。

为了进一步说明本器件结构的效果我们以响应截止波长为365nm的GaN肖特基结构紫外探测器为例说明该器件结构的制备过程，具体如下：利用MOCVD设备以蓝宝石为衬底10生长出器件结构，该结构包括成核层11、N+-GaN层12(厚度为3μm、电子浓度为3×1018cm-3)、有源区N--GaN层13(厚度为0.4μm、电子浓度为2×1016cm-3)。管芯尺寸为1.2mm×1.2mm。用干法刻蚀等方法刻出台阶结构，露出N+-GaN层11。然后用光刻、镀膜等方法先后作出N型肖特基接触电极14(Ni/Au电极，其中Ni、Au厚度分别为3nm、5nm)、N型欧姆接触电极15(Ti/Al电极)，其中，需要在500℃退火5分钟来实现肖特基透明电极和改善肖特基接触特性。最后再进行减薄、切割、压焊、封装成紫外探测器器件样品，其中衬底可减薄至90-110微米。

我们对本发明提出的采取非故意掺杂做有源区的GaN肖特基结构紫外探测器和采取轻Si掺杂做有源区的GaN肖特基结构紫外探测器的性能进行比较，结果如下：

图2是两种器件结构的光电流谱实验结果。其中，实线表示有源区采用非故意掺杂的N--GaN层肖特基结构探测器的光电流谱，虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层肖特基结构探测器的光电流谱。

图3是两种器件IV特性实验结果。其中，实线表示有源区采用非故意掺杂的N--GaN层肖特基结构探测器IV特性曲线，虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层的肖特基结构探测器IV特性曲线。

图4是两种器件的正电子湮灭实验结果。其中，方形实点表示的是有源区采用非故意掺杂的N--GaN层的肖特基结构器件，虚线表示有源区采用轻Si掺杂的N--GaN层的肖特基结构器件。

从上述的实验结果来看，相比于采取轻Si掺杂做有源区的肖特基结构紫外探测器来说，本发明提出的采取非故意掺杂层做有源区的GaN肖特基结构紫外探测器的外量子效率提高了，暗电流降低了，器件性能得到了改善。

本发明提出了采取非故意掺杂做有源层的GaN基肖特基结构紫外探测器，实验结果表明，该层能有效的减小Ga空位等点缺陷密度，器件性能也得到明显的提高。

Claims (12)

1、一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，器件结构包括：

一衬底；

一成核层，该成核层制作在衬底上；

一高浓度的N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在成核层上；

一有源层，该有源层制作在N型欧姆接触层上面的中间；

一肖特基接触电极，该肖特基接触电极制作在有源层上；

一欧姆接触电极，该欧姆接触电极为点状结构或环形结构，制作在欧姆接触层上面的两侧。

2、根据权利要求1所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，其中衬底为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。

3、根据权利要求1所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料。

4、根据权利要求1所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，其中高N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3。

5、根据权利要求1所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器，其特征在于，其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3。

6、一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底上利用外延生长设备生长成核层；

(2)在成核层上生长高N型掺杂浓度欧姆接触层；

(3)在高N型掺杂浓度欧姆接触层上生长有源层；

(4)将高N型掺杂浓度欧姆接触层上的有源层的两侧四周部分刻蚀；

(5)在有源层的上面制作N型肖特基电极；

(6)在高N型掺杂浓度欧姆接触层的上面两侧制作N型欧姆接触电极；

(7)将衬底减薄；

(8)然后进行管芯分割，封装在管壳上，完成氮化镓基紫外探测器的制作。

7、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石、硅、氮化镓、砷化镓或碳化硅材料。

8、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中成核层为低温生长的氮化镓材料或者低温生长的氮化铝材料。

9、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中高N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度大于等于1×1018cm-3。

10、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中有源层为非故意掺杂的N型AlxGa 1-xN(0≤x≤1)材料，其电子浓度小于等于1×1017cm-3。

11、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中N型欧姆电极为点状结构或环形结构。

12、根据权利要求6所述的一种提高GaN基肖特基结构性能的紫外探测器的制作方法，其特征在于，其中将衬底减薄至90-110微米。

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