CN1677694A - 氮化镓紫外探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测波长为250－300nm的谐振腔结构的氮化镓(GaN)紫外肖特基型和光导型探测器，其核心是通过利用电介质材料(例如HfO2和SiO2)构成高反射率的反射镜来取代传统需要由高Al的AlxGa1－xN(0.8≤x＜1)材料来构成反射镜，同时把器件的光敏部分和宝石衬底一起放入由上下反射镜构成的谐振腔中，避开了高Al含量反射镜制备上的难题，只需利用常规的半导体器件工艺就可实现探测波长为250－300nm的谐振腔结构的氮化镓紫外探测器的制备。

Description

氮化镓紫外探测器
技术领域
本发明涉及紫外探测器，具体是指谐振腔结构的，探测波长为250-300nm的氮化镓(GaN)紫外探测器。
背景技术
目前GaN基谐振腔结构的紫外探测器的探测波长主要集中在360nm范围，其结构为在宝石衬底上依次交替生长多个周期的AlxGa1-xN(x≈0.1)和AlN材料来构成反射率大约为99％的下反射镜，在下反射镜上依次排列生长AlyGa1-yN(0≤y≤x)隔离层、GaN吸收层、AlyGa1-yN 0≤y≤x)隔离层，再依次交替生长多个周期的AlxGa1-xN(x≈0.1)和AlN材料来构成反射率大约为70％左右的上反射镜。由于该结构的AlxGa1-xN中的Al含量(x≈0.1)比较低，这在目前的金属有机化学沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)材料生长条件下基本上能实现。
但是，如果仍然采用上述结构来实现探测波长为250-300nm的GaN紫外探测器，经过对上述结构的计算，要求构成上下反射镜材料AlxGa1-xN中的Al含量x必须不低于0.8。这种高Al含量的AlxGa1-xN(0.8≤x＜1)材料在目前的MOCVD或者MBE生长条件下很难生长，这就成为探测波长在250-300nm范围的，已有结构的GaN紫外探测器的主要障碍。这也是我们目前还没有见到探测波长在250-300nm范围的GaN紫外探测器报道的根本原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用两种不同的电介质材料来构成高反射率的反射镜，这样可避开高Al含量的AlxGa1-xN(0.8≤x＜1)材料在反射镜制备上的瓶颈，再由这种反射镜来形成谐振腔式的探测波长为250-300nm的氮化镓紫外探测器。
本发明的氮化镓紫外探测器，包括：两面抛光的宝石衬底1，在宝石衬底的一面依次排列生长有AlN缓冲层2，其厚度为10～1000nm；GaN吸收层3，其厚度为10～50nm；电介质隔离层4；反射率为70％-80％的电介质上反射镜8；在宝石衬底的另一面生长有反射率为90％-99％的电介质下反射镜9。
所说的电介质隔离层4和电介质上反射镜8可以为下列任一组，交替对数是指反射镜材料的交替生长周期数，每层的厚度是指反射镜材料交替生长时的每层的厚度：
隔离层材料   隔离层厚度   反射镜材料      交替对数   每层的厚度
SiO2        132-220nm    HfO2/SiO2    1.5-2.5    27-36nm/45-54nm
SiO2        132-220nm    Al2O3/SiO2  3.5-4.5    39-43nm/45-54nm
SiO2        132-220nm    ZrO2/SiO2    1.5-2.5    31-33nm/45-54nm
Al2O3      110-183nm    Al2O3/HfO2  3.5-4.5    39-43nm/27-36nm
MgF2        141-236nm    MgF2/HfO2    1.5-2.5    49-53nm/27-36nm
CaF2        141-236nm    CaF2/HfO2    1.5-2.5    48-52nm/27-36nm
MgF2        141-236nm    Al2O3/MgF2  2.5-3.5    39-43nm/49-53nm
MgF2        141-236nm    ZrO2/MgF2    1.5-2.5    31-33nm/49-53nm
CaF2        141-236nm    Al2O3/CaF2  2.5-3.5    39-43nm/48-52nm
CaF2        141-236nm    ZrO2/CaF2    1.5-2.5    31-33nm/48-52nm
Al2O3      110-183nm    Al2O3/ZrO2  4.5-5.5    39-43nm/31-33nm
所说的电介质下反射镜9可以为下列任一组交替生长的电介质材料，包括交替对数，每层的厚度：
电介质材料        交替对数     每层的厚度
HfO2/SiO2      3.5-5.5      27～36nm/45～54nm
Al2O3/SiO2    20.5-22.5    39～43nm/45～54nm
ZrO2/SiO2      5.5-6.5      31～33nm/45～54nm
Al2O3/HfO2    8.5-9.5      39～43nm/27～36nm
MgF2/HfO2      4.5-5.5      49～53nm/27～36nm
CaF2/HfO2      4.5-5.5      48～52nm/27～36nm
Al2O3/MgF2    6.5-7.5      39～43nm/49～53nm
ZrO2/MgF2      4.5-5.5      31～33nm/49～53nm
Al2O3/CaF2    6.5-7.5      39～43nm/48～52nm
ZrO2/CaF2      4.5-5.5      31～33nm/48～52nm
Al2O3/ZrO2    14.5-15.5    39～43nm/31～33nm
所说的上述GaN紫外探测器，若是肖特基器件，在GaN吸收层和电介质隔离层之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层5，其厚度为3-10nm/3-20nm；在Ni/Au层上表面的中间有一凸起的加厚Ni/Au肖特基电极层6，其厚度为10-50nm/100-300nm；Ti/Al欧母电极层7置在GaN吸收层上的四周边缘，其厚度为10-50nm/100-300nm，结构见图1。
若是光导器件，In/Au欧母电极层10置在GaN吸收层上的四周边缘，电介质隔离层的傍边，其厚度为10-50nm/100-300nm，结构见图2。
本发明的核心是通过利用电介质材料构成高反射镜来取代传统需要由高Al的AlxGa1-xN(0.8≤x＜1)材料来构成反射镜，同时把器件的光敏部分和宝石衬底一起放入由上下反射镜构成的谐振腔中。
采用这种新型结构的主要原因是利用易于生长的电介质材料构成的高反射镜来取代难于生长的高Al含量的AlGaN材料系列构成的高反射镜，同时由于高质量的GaN吸收层的生长只能在以AlN和低温GaN为主的AlGaN系列材料上，而不能生长在上述所列举的电介质材料上，其原因是晶格常数的严重失配，因而就只能把器件的光敏部分和宝石衬底一起放入由电介质材料所构成的谐振腔中。
本发明的探测器的工作过程是：探测光通过上反射镜和电介质隔离层进入到GaN吸收层，由于吸收层很薄，小部分的光被吸收，大部分的光都透过AlN缓冲层和宝石衬底，到达下反射镜，在探测波长250-300nm范围以外的光透过反射镜，而在探测波长范围以内的探测光将有99％反射回到器件的光敏部分后又被GaN吸收，当透过的光到达上反射镜时又被反射回到器件的光敏部分，这样在探测波长范围内的探测光反复的通过吸收层材料，使得这部分的光被充分的吸收，从而获得较高的量子效率，达到探测的目的。
本发明的探测器结构的最大优点是：
避开了高Al含量的AlxGa1-xN(0.8≤x＜1)材料反射镜制备上的瓶颈，只需利用常规的半导体器件工艺就可实现探测波长为250-300nm的氮化镓紫外探测器的制备。
附图说明
图1为肖特基型氮化镓紫外探测器的结构示意图。
图2为光导型氮化镓紫外探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明的氮化镓紫外探测器的具体实施方式作进一步的详细说明，以HfO2/SiO2作为反射镜的两种电介质材料，其具体制备步骤如下：
1.在两面抛光的宝石衬底1的其中一面上利用MOCVD或者MBE依次生长500nm的AlN缓冲层2和30nm的GaN吸收层3。
2.对上述样品表面进行处理：首先依次利用三氯甲烷、丙酮和乙醇对样品表面进行清洗，目的是除去表面的有机物；然后利用HNO3∶H2O＝1∶1或者盐酸和王水对样品表面进行清洗，目的是除去表面的氧化物；然后利用氨水溶液对样品表面清洗，最后利用去离子水冲洗样品，用氮气吹干备用。
3.由于光导型和肖特基型器件的结构不同，因此它们的第3步骤工艺有差别，下面分别进行阐述：
(1)肖特基型器件：
a.在GaN吸收层3上进行第一次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；
b.利用磁控溅射生长欧姆接触Ti/Al电极层7，其厚度为30nm/150nm；
c.用乙醇或丙酮浮胶；
d.利用快速退火装置在温度400～800℃，时间10～120s下退火；
e.第二次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；
f.利用磁控溅射生长肖特基结Ni/Au半透明金属层5，厚度为4nm/9nm；
g.用乙醇或丙酮浮胶。
(2)光导型器件：
a.在GaN吸收层3上进行第一次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；
b.利用磁控溅射生长欧姆接触In/Au电极层10，厚度为30nm/200nm；
c.用乙醇或丙酮浮胶；
d.第二次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；
e.固胶后离子束刻蚀；
f.用乙醇或丙酮浮胶。
4.利用热电子束蒸发或者CVD生长厚度为150nm的SiO2隔离层4。
5.利用热电子束蒸发或者CVD依次交替生长HfO2层，其厚度为30nm和SiO2层，其厚度为50nm，周期为1.5，构成上反射镜8。
6.宝石衬底1的另一面上利用热电子束蒸发或者CVD依次交替生长HfO2层，其厚度为30nm和SiO2层，其厚度为50nm，周期为4.5，构成下反射镜9。
7.第三次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)。
8.利用离子束刻蚀到一定的深度，也就是要刻蚀掉没有光刻胶保护的反射镜材料。
9.利用HF酸溶液来腐蚀掉不需要的SiO2隔离层材料。
10.第四次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)。
11.用乙醇或丙酮浮胶，焊电极，器件制备完毕。
12.对肖特基型器件，在第10步骤后还需利用磁控溅射生长凸起的加厚Ni/Au肖特基电极层6，其厚度为30nm/200nm。

Claims (1)

1.一种氮化镓紫外探测器，包括：两面抛光的宝石衬底(1)，其特征在于：在宝石衬底的一面依次排列生长有AlN缓冲层(2)，其厚度为10～1000nm；GaN吸收层(3)，其厚度为10～50nm；电介质隔离层(4)；反射率为70％-80％的电介质上反射镜(8)；在宝石衬底的另一面生长有反射率为90％-99％的电介质下反射镜(9)；
所说的电介质隔离层(4)和电介质上反射镜(8)可以为下列任一组；交替对数是指反射镜材料的交替生长周期数，每层的厚度是指反射镜材料交替生长时的每层的厚度：
隔离层材料      隔离层厚度       反射镜材料         交替对数        每层的厚度
SiO2          132-220nm         HfO2/SiO2       1.5-2.5         27-36nm/45-54nm
SiO2          132-220nm         Al2O3/SiO2     3.5-4.5         39-43nm/45-54nm
SiO2          132-220nm         ZrO2/SiO2       1.5-2.5         31-33nm/45-54nm
Al2O3        110-183nm         Al2O3/HfO2    3.5-4.5         39-43nm/27-36nm
MgF2          141-236nm         MgF2/HfO2       1.5-2.5         49-53nm/27-36nm
CaF2          141-236nm         CaF2/HfO2       1.5-2.5         48-52nm/27-36nm
MgF2          141-236nm         Al2O3/MgF2     2.5-3.5         39-43nm/49-53nm
MgF2          141-236nm         ZrO2/MgF2       1.5-2.5         31-33nm/49-53nm
CaF2          141-236nm         Al2O3/CaF2     2.5-3.5         39-43nm/48-52nm
CaF2          141-236nm         ZrO2/CaF2       1.5-2.5         31-33nm/48-52nm
Al2O3        110-183nm         Al2O3/ZrO2    4.5-5.5         39-43pnm/31-33nm
所说的电介质下反射镜(9)可以为下列任一组交替生长的电介质材料，包括交替对数，每层的厚度：
电介质材料           交替对数            每层的厚度
HfO2/SiO2         3.5-5.5             27～36nm/45～54nm
Al2O3/SiO2       20.5-22.5           39～43nm/45～54nm
ZrO2/SiO2         5.5-6.5             31～33nm/45～54nm
Al2O3/HfO2       8.5-9.5             39～43nm/27～36nm
MgF2/HfO2         4.5-5.5             49～53nm/27～36nm
CaF2/HfO2         4.5-5.5             48～52nm/27～36nm
Al2O3/MgF2       6.5-7.5             39～43nm/49～53nm
ZrO2/MgF2         4.5-5.5             31～33nm/49～53nm
Al2O3/CaF2       6.5-7.5             39～43nm/48～52nm
ZrO2/CaF2         4.5-5.5             31～33nm/48～52nm
Al2O3/ZrO2       14.5-15.5           39～43nm/31～33nm
所说的上述GaN紫外探测器，若是肖特基器件，在GaN吸收层和电介质隔离层之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层(5)，其厚度为3-10nm/3-20nm；在Ni/Au层上表面的中间有一凸起加厚的Ni/Au肖特基电极层(6)，其厚度为10-50nm/100-300nm；Ti/Al欧母电极层(7)置在GaN吸收层上的四周边缘，其厚度为10-50nm/100-200nm；
若是光导器件，In/Au欧母电极层(10)置在GaN吸收层上的四周边缘，电介质隔离层的傍边，其厚度为10-50nm/100-300nm。
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