CN113809192B - 一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法，该探测器包括：硅衬底；二氧化硅绝缘层，间隔形成在所述硅衬底上，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；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，并且使得氮化镓微米线高于所述二氧化硅绝缘层；氮化铝缓冲层，形成在所述凹槽结构的氮化镓微米线内部；若干金属电极，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垂直。该光电探测器的光/暗电流高、响应迅速、开/关电流比高以及探测范围广等良好特性，并且器件结构易于生长制造。

Description

一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体领域，具体涉及一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种基于光电效应的一种半导体器件，其可以在光辐射下吸收一定的能量来完成光信号到电信号的转换。光电探测器应用广泛，涉及军事、通信、医疗等多个领域，例如：夜视仪、导弹制导、火灾检测等应用。
氮化镓(GaN)作为第三代半导体的典范，因其是Ⅲ族氮化物，在室温下，不溶于水，并且耐强酸和强碱，其只能以缓慢的速度溶解于温度高的碱性溶液中，氮化镓材料稳定的物理化学性质使得氮化镓材料制作的器件可以在一定的恶略环境下进行正常工作。现在已经有许多不同结构的GaN基探测器的研究报道，GaN基探测器按照工作方式来划分主要有:光伏型探测器和光导型探测器，其中光伏型探测器是结型器件，而光导型探测器是无结型器件。光导型探测器主要是利用半导体材料的光电导效应进行工作，其基本原理是当光照所产生的能量大于半导体禁带宽度时，由于本征吸收和杂质吸收，产生非平衡光生载流子而导致半导体材料的电阻率发生变化，其实质类似于光敏电阻一样。光导型探测器具有结构简单、易于制造、响应速度快等优点，但是其缺点是暗电流大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法，包括：
S1、提供一硅衬底；
S2、在所述硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；
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；
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；
S5、在所述微米线表面蒸镀若干金属电极。
在一个具体实施方式中，所述步骤S4之前还包括：
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。
在一个具体实施方式中，所述S3步骤包括：
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；
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，然后对所述二氧化硅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。
在一个具体实施方式中，所述步骤S5包括：
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Ti/Al/Ti/Au金属以形成若干金属电极，并使得相邻两个金属电极之间的间距为5-20μm。
本发明同时提供一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，包括：
硅衬底；
二氧化硅绝缘层，形成在所述硅衬底上，其中，所述二氧化硅绝缘层上具有若干凹槽结构；
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，并且使得氮化镓微米线高于所述二氧化硅绝缘层；
氮化铝缓冲层，形成在所述凹槽结构的氮化镓微米线内部；
若干金属电极，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垂直，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，相邻两个金属电极之间的间距为5-20μm。
在一个具体实施方式中，所述凹槽结构的宽度为5-10μm，所述凹槽结构的深度为3.5-5μm，每两个凹槽结构之间的间距为8-10μm。
在一个具体实施方式中，所述氮化镓微米线的高度为4-6μm。
在一个具体实施方式中，所述氮化铝缓冲层的厚度为20-200nm。
在一个具体实施方式中，所述二氧化硅绝缘层的厚度为200-400nm。
本发明的有益效果：
本发明的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器采用在绝缘层形成的凹槽之间生长梯形氮化镓微米线的方式，在凹槽中生长的梯形氮化镓微米线可以充分利用有限的硅衬底面积，从而获得较高的晶体质量，体表面积比变大，同时使晶格失配与热失配引起的缺陷大大减少。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。
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
图1是本发明实施例提供的一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器的制备方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器结构示意图；
图3为本发明提供的一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器的未生长有梯形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；
图4为本发明提供的一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器的外延生长有梯形氮化镓微米线的衬底结构示意图；
图5为图3中的未生长有梯形氮化镓微米线的衬底的截面示意图；
图6为图3的生长有梯形氮化镓微米线的截面示意图；
图7为图2的光电探测器的截面图；
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)；
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
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。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法流程示意图，包括：
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＞105Ω·cm)，硅片晶向为<100>。
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200nm的二氧化硅绝缘层。
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5-10μm，凹槽结构的深度为3.5-5μm，每两个凹槽结构之间的间距为10μm；
具体的步骤S3为：
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10μm；
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。
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10μm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***将衬底表面吹干最终形成若干凹槽结构。
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；氮化镓微米线的生长高度优选为4-6μm，使得生长的氮化镓微米线高于绝缘层，从而避免产生在镀电极之后发生金属全覆盖氮化镓微米线的情况。
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20-200nm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20-200nm，如果氮化铝缓冲层的厚度低于20nm的话就无法起到绝缘作用，而大于200nm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。
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。
S5、在所述微米线表面蒸镀若干金属电极；
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Ti/Al/Ti/Au金属以形成若干金属电极，并使得相邻两个金属电极之间的间距为10μm。
此外，现有的制备需要引入多次刻蚀(如凹槽栅结构)或者二次外延(如生长盖帽层)，这些制备过程例如刻蚀会引起机械性损伤，使得栅极泄露电流增大；二次外延会引入杂质，导致界面缺陷，出现大量位错等；这些工艺对器件的损伤较大，导致缺陷增加，影响器件的性能，不利于器件的量产且成本较高。本申请上述生长工艺简单、无引入刻蚀、成本较低、工艺重复性和一致性高等优点。
实施例二
请参见图2-图7，本实施例的梯形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：
硅衬底10；
二氧化硅绝缘层20，间隔形成在所述硅衬底10上，以使未覆盖所述二氧化硅绝缘层20的衬底上形成若干凹槽结构201；
氮化镓微米线30，形成在所述凹槽结构201内，并且所述氮化镓微米线30延伸方向与凹槽结构201延伸方向一致，并且使得氮化镓微米线30高于所述二氧化硅绝缘层20，其中，氮化镓微米线30有多条，呈阵列形状；
氮化铝缓冲层50，形成在所述凹槽结构201的氮化镓微米线30内部；氮化铝缓冲层50可以使生长的氮化镓获得更好的晶体质量；氮化铝缓冲层50起到绝缘的作用，因为其可以防止电流从硅衬底处流出。
若干金属电极40，设置在所述氮化镓微米线30和所述二氧化硅绝缘层20上方且与所述凹槽结构201方向垂直，且呈阵列形状，其中，所述凹槽结构201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，相邻两个金属电极40之间的间距为5-20μm。凹槽结构201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。
在凹槽结构201中生长氮化镓微米线的方式可以充分利用硅衬底有效面积，使得体表面积比变大，并且氮化镓微米线在凹槽结构201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。
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；通过产生的额外电子，在金属电极40处被收集，使氮化镓微米线的电阻率产生变化。
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201底部接触；氮化镓微米线30的生长高度优选为4～6μm，使得生长的氮化镓微米线略高于二氧化硅绝缘层，从而避免产生在镀电极之后发生金属全覆盖氮化镓微米线的情况。
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201的底部设有氮化铝缓冲层50，所述氮化铝缓冲层50的厚度为20-200nm。氮化铝缓冲层50的作用使生长的氮化镓质量更好；氮化铝缓冲层50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50的厚度设置为20-200nm，如果氮化铝缓冲层50的厚度低于20nm的话就无法起到绝缘作用，而大于200nm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。
作为一种优选的实施方式，所述凹槽结构201优选为长方形形状的凹槽，即其截面为长方形，凹槽结构201的宽度为5-10μm，所述凹槽结构201的深度为3.5-5μm，每两个凹槽结构201之间的间距为10μm。所述凹槽结构201具有限制微米线生长区域与形状的作用，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，避免出现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。
为了更好的说明本实施例的效果，请参见图8-图9，本实施例提供的光电探测器在外加电压5V，325nm，1mw/cm2光照射下，当撤去光源时，光电流的下降时间为17ms；在重新提供光源后，光电流的上升时间为18ms；在5V外加电压下，无光照条件下的电流(暗电流)为10-11A，而在325nm的波长光照射下产生的电流(光电流)。在325nm，1mw/cm2光照射下，电流提升了200倍。(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)。
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。
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。
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。
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。
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。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，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。
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。

Claims (8)

1.一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法，其特征在于，包括：
S1、提供一硅衬底；
S2、在所述硅衬底上沉积二氧化硅绝缘层；
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；
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高于所述二氧化硅绝缘层，其中，所述氮化镓微米线的延伸方向与凹槽结构的延伸方向一致，所述氮化镓微米线的横截面形状为梯形，所述梯形的高与所述硅衬底所在的平面垂直，下底与所述凹槽底部接触；
S5、在所述微米线表面蒸镀若干金属电极，所述若干金属电极的延伸方向与所述凹槽结构的延伸方向垂直；
所述S3步骤包括：
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；
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，然后对所述二氧化硅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。
2.根据权利要求1所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法，其特征在于，所述步骤S4之前还包括：
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。
3.根据权利要求1所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
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Ti/Al/Ti/Au金属以形成若干金属电极，并使得相邻两个金属电极之间的间距为5-20μm。
4.一种梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，其特征在于，包括：
硅衬底；
二氧化硅绝缘层，间隔形成在所述硅衬底上，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；
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，并且使得氮化镓微米线高于所述二氧化硅绝缘层；
氮化铝缓冲层，形成在所述凹槽结构的氮化镓微米线内部；
若干金属电极，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垂直，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，所述梯形的高与所述硅衬底所在的平面垂直，下底与所述凹槽底部接触，相邻两个金属电极之间的间距为5-20μm。
5.根据权利要求4所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，其特征在于，所述凹槽结构的宽度为5-10μm，所述凹槽结构的深度为3.5-5μm，每两个凹槽结构之间的间距为8-10μm。
6.根据权利要求4所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，其特征在于，所述氮化镓微米线的高度为4-6μm。
7.根据权利要求4所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，其特征在于，所述氮化铝缓冲层的厚度为20-200nm。
8.根据权利要求4所述的梯形氮化镓微米线阵列光电探测器，其特征在于，所述二氧化硅绝缘层的厚度为200-400nm。
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