紫外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種紫外探測器，所述紫外探測器包括襯底，所述襯底上依次設有n型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和p型層；所述n型層上設有n型歐姆電極，所述p型層上設有p型歐姆電極；所述i型超晶格倍增層為Ⅲ族氮化物的超晶格。本發明解決了現有技術中紫外探測器中由于電子和空穴的離化系數相近而導致的紫外探測器不靈敏，難以探測弱紫外光的問題。
【專利說明】紫外探測器及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及紫外線探測領域，具體涉及一種紫外探測器及其制備方法。

【背景技術】
[0002]紫外探測在民用和軍事領域具有廣泛的應用，包括化學和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有機化合物的吸收線在紫外光譜范圍)，火焰探測(包括火災報警，導彈預警和制導，燃燒監測等)，光通信(特別是衛星間采用波長小于280nm的紫外光進行通信)，紫外光源的校準(儀器，紫外線光刻等)，以及天文學研究。
[0003]其中，最常用的紫外光電探測器件是基于Si材料的光電二極管，但是它和其他窄禁帶半導體探測器一樣面臨如下的一些固有的局限性。首先，對于Si或GaAs等這些窄禁帶半導體而言，紫外光的能量遠高于其帶隙，它們在紫外光的照射下很容易老化。此外，鈍化層(通常是Si02)會減少深紫外線范圍的量子效率，同時也面臨紫外線照射退化的問題。這些器件的另一個限制是其同時對低能量的光子也具有響應，因此必須使用昂貴和復雜的濾波器來阻擋可見光和紅外線光子，導致有效面積有顯著損失。最后，對于某些高靈敏度的應用，探測器的有源區必須冷卻以減少暗電流，冷卻后的探測器會作為污染物的冷阱而導致更低的探測率。
[0004]寬禁帶半導體材料的紫外光電探測器可以克服上述的諸多缺點。對光電二極管來說而言，寬的禁帶寬度本身就是一個很大的優勢，它使得探測器可以室溫工作，同時對可見光不響應。另外，寬禁帶半導體擊穿場強高、物理和化學性質穩定，十分適合在高溫和大功率條件下工作。它們抗紫外輻照能力強，一般也不需要鈍化處理，因此可以提高在紫外波段的響應度和穩定性。
[0005]然而，現有的基于寬禁帶半導體材料的紫外探測器一般采用同質結構，即雪崩倍增層本身的材料為同一種材料，因而導致電子和空穴的離化系數相近，器件噪聲功率太高，不利于弱光探測。
[0006]為解決上述問題，需要一種紫外探測器，以解決現有技術中紫外探測器電子和空穴的離化系數相近而導致的紫外探測器不靈敏，難以探測弱紫外光的問題。


【發明內容】

[0007]針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種紫外探測器及其制備方法，解決了現有技術中紫外探測器中電子和空穴的離化系數相近而導致的紫外探測器不靈敏，難以探測弱紫外光的問題。
[0008]第一方面，本發明提供一種紫外探測器，所述紫外探測器包括:襯底，所述襯底上依次設有η型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和P型層；
[0009]所述η型層上設有η型歐姆電極，所述P型層上設有P型歐姆電極；
[0010]所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
[0011]優選地，所述i型超晶格倍增層為AlxGahNAlyGapyN超晶格，其中，O彡x〈y彡I。
[0012]優選地，所述η型層、i型光敏吸收層和P型層的材料均為AlxGa1J,其中，O ^ X ^ I。
[0013]優選地，所述η型層的厚度為I?10 μ m。
[0014]優選地，所述i型超晶格倍增層的周期數為I?100，勢壘或勢阱的寬度為I?lOOnm。
[0015]優選地，所述i型光敏吸收層的厚度為10?lOOOnm。
[0016]優選地,所述P型層的厚度為10?lOOOnm。
[0017]一種紫外探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0018]S1.在襯底上生長η型層；
[0019]S2.在所述η型層上生長i型超晶格倍增層；
[0020]S3.在所述i型超晶格倍增層上生長i型光敏吸收層；
[0021]S4.在所述i型光敏吸收層上生長P型層；
[0022]S5在所述P型層上設置P型歐姆電極，在所述η型層上設置η型歐姆電極；
[0023]其中，步驟S2中所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
[0024]優選地，所述i型超晶格倍增層為AlxGahNAlyGapyN超晶格，其中，O彡x〈y彡I。
[0025]優選地，所述η型層、i型光敏吸收層和P型層材料為AlxGa1J,其中，O彡x彡I。
[0026]由上述技術方案可知，本發明的紫外探測器，通過設置i型超晶格倍增層，增強了電子離化系數、降低了空穴離化系數，使得電子離化系數遠大于空穴離化系數，從而降低了紫外探測器的噪聲功率，提高了紫外探測器的靈敏度，有助于紫外線探測器對于弱光探測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1是本發明實施例一提供的紫外探測器的結構示意圖；
[0029]圖2是本發明實施例二提供的紫外探測器的制造方法流程圖。

【具體實施方式】
[0030]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031]圖1示出了本發明實施例一提供的紫外探測器的結構示意圖，如圖1所示，本實施例的紫外探測器包括:
[0032]襯底，所述襯底上依次設有η型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和P型層；所述η型層上設有η型歐姆電極，所述P型層上設有P型歐姆電極；所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
[0033]由此，本實施例的紫外探測器，通過設置i型超晶格倍增層，利用超晶格結構，增強電子離化系數、降低空穴離化系數，使得雪崩增益提高，雪崩過剩噪聲降低，由于超晶格結構增強了電子和空穴的離化系數差異，避免了載流子反復離化碰撞，縮短了雪崩恢復時間，并且降低了紫外探測器的噪聲功率，提高了紫外探測器的靈敏度，有助于紫外線探測器對于弱光探測。另外，本實施例所述紫外探測器中的超晶格結構可以降低器件的雪崩閾值電壓，從而降低了器件的擊穿概率，也就是說提高了器件的成品率。
[0034]為了使紫外探測器的質量得到提高，所述襯底在設置η型層之前，還可設置一層低溫緩沖層。
[0035]優選地，所述i型超晶格倍增層為AlxGahNAlyGahN超晶格，其中，O彡x〈y彡I。其中,AlxGahNAlyGapyN表示AlxGa^xN和AlyGa^yN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。
[0036]所述AlxGahNAlyGanN超晶格倍增層，使電子離化系數遠遠大于空穴離化系數，從而使得倍增層的雪崩增益高，雪崩過剩噪聲低，因而使得紫外探測器提高了對弱光的探測精度。
[0037]所述η型層、i型光敏吸收層和P型層材料為AlxGai_xN，其中，O彡x彡I。
[0038]所述AlxGa1J為寬禁帶半導體材料，利用AlxGapxN制作η型層、i型光敏吸收層和P型層，可以使得紫外探測器在室溫工作，同時對可見光不響應。另外，寬禁帶半導體材料AlxGahN擊穿場強高、物理和化學性質穩定，十分適合在高溫和大功率條件下工作。它抗紫外輻照能力強，一般也不需要鈍化處理，因此可以提高在紫外波段的響應度和穩定性。另夕卜，由于AlxGahN屬于直接帶隙半導體，且禁帶寬度隨組分可調，從而有利于制作探測波長可調諧的探測器，并且方便使用能帶工程手段獲得更好的探測性能。
[0039]其中，所述η型層的厚度為I?10 μ m。
[0040]其中，所述i型超晶格倍增層的周期數為I?100，勢壘或勢阱的寬度為I?10nm0
[0041]其中，所述i型光敏吸收層的厚度為10?lOOOnm。
[0042]其中，所述P型層的厚度為10?lOOOnm。
[0043]圖2示出了實施例二提供的紫外探測器制備方法的流程圖，如圖2所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。
[0044]步驟201:在襯底上生長η型層.
[0045]步驟202:在所述η型層上生長i型超晶格倍增層。
[0046]步驟203:在所述i型超晶格倍增層上生長i型光敏吸收層。
[0047]步驟204:在所述i型光敏吸收層上生長P型層。
[0048]步驟205:在所述P型層上設置P型歐姆電極，在所述η型層上設置η型歐姆電極。
[0049]其中，步驟202中所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
[0050]由此，本實施例的紫外探測器制備方法，通過在η型層上生長i型超晶格倍增層，使得光敏吸收層在吸收紫外光后，在超晶格倍增層發生雪崩，利用超晶格倍增層中導帶帶階大于價帶帶階的優點，使電子離化系數遠大于空穴離化系數，使得雪崩增益提高，雪崩過剩噪聲降低，由于超晶格結構增強了電子和空穴的離化系數差異，避免了載流子反復離化碰撞，縮短了雪崩恢復時間，并且降低了紫外探測器的噪聲功率，提高了紫外探測器的靈敏度，有助于紫外線探測器對于弱光探測。
[0051]下面實施例三至六提供了四種AlxGahNAlyGanN超晶格紫外探測器制備方法，其中，0 < x<y < I。
[0052]實施三提供了一種AIN/GaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。其中，AIN/GaN表示AIN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格，類似地，后續實施例提到的 AIN/AlGaN、GaN/AlGaN 和 Al。.2Ga0.8N/A10.5Ga0.5N 都代表同樣的含義。
[0053]步驟301:采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH3作為氮源，硅烷做η型摻雜劑，在藍寶石襯底上生長20nm的η型GaN低溫緩沖層。所述GaN為AlxGa1^xN當χ = O時的材料。
[0054]在本步驟中，所述襯底材料為藍寶石、氧化鋅、硅、碳化硅、硅上生長的氮化鋁復合襯底、硅上生長的氧化鋅復合襯底或AlxGai_xN，其中，O彡χ彡I。
[0055]步驟302:在所述低溫緩沖層上生成一層3 μ m的η型CaN，摻雜濃度為1019cnT3。
[0056]步驟303:在所述η型層上生長20個周期的AIN(20nm)/GaN(1nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。
[0057]在本步驟中，AIN為AlxGa1J當χ = I時的材料，GaN為AlyGa1J當y = O時的材料，所述AIN(20nm)/GaN(1nm)表示AIN和GaN兩種不同組元以AIN為20納米和GaN為10納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。
[0058]步驟304:在所述超晶格倍增層上生長一層300nm的i型CaN光敏吸收層。
[0059]步驟305:在所述i型光敏吸收層上生長一層10nm的p型CaN層，摻雜濃度為1019cnT3。
[0060]步驟306:使用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術在從P型層的上表面刻蝕至η型層，形成臺面。
[0061]步驟307:使用電子束蒸發(EB)技術在所述P型層上沉積一層Ni/Au電極，在所述η型層上沉積一層Cr/Au電極。
[0062]步驟308:使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積200nm的S12鈍化層。
[0063]在本步驟中，為了減少漏電流，提高探測微弱信號的靈敏度，可以在臺面上沉積一層鈍化層。
[0064]實施四提供了一種AIN/AlGaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。
[0065]步驟401:采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH3作為氮源，硅烷做η型摻雜劑，在氧化鋅襯底上生長10nm的η型Ala 4Ga0.6N低溫緩沖層。
[0066]步驟402:在所述低溫緩沖層上生成一層5 μ m的η型Al。.4Ga0.6N，摻雜濃度為1019cnT3。
[0067]步驟403:在所述η型層上生長30個周期的AlN(30nm)/Ala4Gaa6N(40nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。
[0068]在本步驟中，AIN為 AlxGa1J 當 χ = I 時的材料，Ala4Gaa6N 為 AlyGa1J 當 y = 0.4時的材料，所述AlN (30nm) /Al0.4Ga0.6N (40nm)表示AIN和Al。.4Ga0.6N兩種不同組元以AIN為30納米和Ala4Gaa6N為40納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。
[0069]步驟404:使用三甲基鋁(TMAl)作鋁源，在所述i型超晶格倍增層上生長一層400nm的i型Ala4Gaa6N光敏吸收層。
[0070]步驟405:在所述i型光敏吸收層上生長一層200nm的p型Ala4Gaa6N層，摻雜濃度為 119CnT3。
[0071]步驟406:使用反應離子(RIE)刻蝕技術在從P型層的上表面刻蝕至η型層，形成臺面。
[0072]步驟407:使用電子束蒸發(EB)技術在所述P型層上沉積一層ITO透明電極，在所述η型層上沉積一層Ti/Al電極。
[0073]步驟408:使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積300nm的S12鈍化層。
[0074]實施五提供了一種GaN/AlGaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。
[0075]步驟501:采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH3作為氮源，硅烷做η型摻雜劑，在碳化硅襯底上生長200nm的η型Ala ^a0.9Ν低溫緩沖層。
[0076]步驟502:在所述低溫緩沖層上生成一層6 μ m的η型Al。, ^a0.9Ν，摻雜濃度為1019cnT3。
[0077]步驟503:在所述η型層上生長60個周期的GaN(50nm)/Al。.^aa9N(60nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。
[0078]在本步驟中,GaN為 AlxGa1J^ 當 χ = O 時的材料,Ala ^aa9N 為 AlyGahyN 當 y = 0.1時的材料，所述GaN(50nm) /Al0.Aaa9N^Onm)表示GaN和AlaiGaa9N兩種不同組元以GaN為50納米和AlaiGaa9N為60納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。
[0079]步驟504:使用三甲基鋁(TMAl)作鋁源，在所述i型超晶格倍增層上生長一層500nm的i型AlaiGaa9N光敏吸收層。
[0080]步驟505:在所述i型光敏吸收層上生長一層300nm的p型Ala Aaa9N層，摻雜濃度為 119CnT3。
[0081]步驟506:使用濕法刻蝕技術在從P型層的上表面刻蝕至η型層，形成臺面。
[0082]步驟507:使用電子束蒸發(EB)技術在所述P型層上沉積一層ZnO透明電極，在所述η型層上沉積一層Cr/Au電極。
[0083]步驟508:使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積400nm的SiN2鈍化層。
[0084]實施六提供了一種Ala2Gaa8NAla5Gaa5N超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。
[0085]步驟601:采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH3作為氮源，硅烷做η型摻雜劑，在硅襯底上生長60nm的η型Ala5Gaa 5Ν低溫緩沖層。
[0086]步驟602:在所述低溫緩沖層上生成一層2 μ m的η型Ala 5Ga0.5N，摻雜濃度為1019cnT3。
[0087]步驟603:在所述η型層上生長90個周期的Ala2Gaa8N(TOnm)Ala5Gaa5N(SOnm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。
[0088]在本步驟中，Ala2Gaa8N為 AlxGa1^xN 當 χ = 0.2 時的材料，Ala5Gaa5N 為 AlyGa1J當 y = 0.5 時的材料,所述 Ala2Gaa8N(TOnm)ZAla5Gaa5N(SOnm)表示 Ala2Gaa8N 和 Al。.5Ga。.5N兩種不同組元以Ala2Gaa8N為70納米和Ala5Gaa5N為80納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。
[0089]步驟604:使用三甲基鋁(TMAl)作鋁源，在所述i型超晶格倍增層上生長一層200nm的i型Ala5Gaa5N光敏吸收層。
[0090]步驟605:在所述i型光敏吸收層上生長一層80nm的P型Ala5Gaa5NM，摻雜濃度為 11W30
[0091]步驟606:使用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術在從P型層的上表面刻蝕至η型層，形成臺面。
[0092]步驟607:使用電子束蒸發(EB)技術在所述P型層上沉積一層Ni/Au電極，在所述η型層上沉積一層Cr/Au電極。
[0093]步驟608:使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積10nm的苯并環丁烯(BCB)鈍化層。
[0094]實施例三至六所述的紫外探測器制備方法，可以用于制備圖1所示的紫外探測器。
[0095]以上實施例僅用于說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種紫外探測器，其特征在于，所述紫外探測器包括:襯底，所述襯底上依次設有η型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和P型層； 所述η型層上設有η型歐姆電極，所述P型層上設有P型歐姆電極； 所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
2.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述i型超晶格倍增層為AlxGahN/AlyGa^yN超晶格，其中，?彡x〈y彡I。
3.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述η型層、i型光敏吸收層和P型層的材料均為AlxGai_xN，其中，O彡X彡I。
4.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述η型層的厚度為I?10μ m。
5.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述i型超晶格倍增層的周期數為I?100，勢壘或勢阱的寬度為I?lOOnm。
6.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述i型光敏吸收層的厚度為10?lOOOnm。
7.根據權利要求1所述的探測器，其特征在于，所述P型層的厚度為10?lOOOnm。
8.—種權利要求1-7任一所述探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.在襯底上生長η型層； 52.在所述η型層上生長i型超晶格倍增層； 53.在所述i型超晶格倍增層上生長i型光敏吸收層； 54.在所述i型光敏吸收層上生長P型層； S5在所述P型層上設置P型歐姆電極，在所述η型層上設置η型歐姆電極； 其中，步驟S2中所述i型超晶格倍增層為III族氮化物的超晶格。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述i型超晶格倍增層為AlxGahN/AlyGa^yN超晶格，其中，?彡x〈y彡I。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述η型層、i型光敏吸收層和P型層材料為AlxGai_xN，其中，O彡X彡I。
【文檔編號】H01L31/101GK104167458SQ201410360909
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】汪萊, 鄭紀元, 郝智彪, 羅毅 申請人:清華大學