本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管及其制備方法。

背景技術：

隨著近年來天文、高能物理、空間技術等領域的研究與探索工作的不斷深入，及其在宇宙探測、人造衛星等方面應用前景的迅速拓展，對于光線尤其紫外光的探測器的要求越來越高，如光電對抗中紫外對抗與反對抗技術就愈發受到軍方的關注。通常波長在10～400nm的電磁波成為紫外線，既不同于可見光輻射，又不同于紅外輻射；其中來自太陽輻射的紫外線中被大氣層幾乎完全吸收的譜區被稱為日盲區，是紫外探測中較難探測到的區域。

光電探測二極管是一種基于PN結的光電檢測二極管，一般可測量紫外到紅外光區域，在軍事高技術與民品市場的開發中具有很大的使用價值，如在日盲區對尾煙或羽煙中能釋放大量紫外輻射的飛行目標進行實時探測或有效跟蹤。

但目前的光電檢測二極管仍然存在光吸收能力弱，且在紫外光探測方面能力不強等問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于Ga₂O₃/SiC異質結構的光電NPN晶體管及其制備方法。

本發明的一個實施例提供了一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法，包括：

選取SiC襯底；

在所述SiC襯底表面連續生長同質外延層、GaN層及Ga₂O₃層；

在所述Ga₂O₃層表面形成光吸收層；

在整個襯底下表面淀積第一金屬材料形成底電極；

在整個襯底上表面淀積第二金屬材料形成頂電極以最終形成所述光電探測二極管。

在本發明的一個實施例中，選取SiC襯底，包括：

選取N型的4H-SiC或6H-SiC材料作為所述SiC襯底；

利用RCA標準清洗工藝對所述SiC襯底進行清洗。

在本發明的一個實施例中，在所述SiC襯底表面連續生長同質外延層、GaN層及Ga₂O₃層，包括：

利用LPCVD工藝，在所述SiC襯底表面生長摻雜N元素的SiC材料以形成N型的所述同質外延層；

采用MOCVD工藝，在所述同質外延表面生長摻雜N元素的GaN材料以形成所述GaN層；

利用MBE工藝，在所述GaN層表面生長β-Ga₂O₃材料形成所述Ga₂O₃層。

在本發明的一個實施例中，在所述Ga₂O₃層表面形成光吸收層，包括：

采用第一掩膜板，利用磁控濺射工藝在所述Ga₂O₃層表面濺射第三金屬材料形成所述光吸收層。

在本發明的一個實施例中，利用磁控濺射工藝在所述Ga₂O₃層表面濺射第三金屬材料，包括：

以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為100W，真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述Ga₂O₃層表面濺射所述Ni材料以作為所述第三金屬材料。

在本發明的一個實施例中，在整個襯底下表面淀積第一金屬材料形成底電極，包括：

利用磁控濺射工藝在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底的下表面濺射所述第一金屬材料；

在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在所述整個襯底的下表面與所述第一金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述底電極的制備。

在本發明的一個實施例中，利用磁控濺射工藝在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底的下表面濺射所述第一金屬材料，包括：

以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為100W，真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述整個襯底的下表面濺射所述Ni材料以作為所述第一金屬材料。

在本發明的一個實施例中，在整個襯底上表面生長第二金屬材料形成頂電極，包括：

采用第二掩膜板，利用磁控濺射工藝在在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底上表面生長所述第二金屬材料；

在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在所述整個襯底的上表面與所述第二金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述頂電極的制備。

在本發明的一個實施例中，利用磁控濺射工藝在在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底上表面生長所述第二金屬材料，包括：

以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為20～100W，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述整個襯底表面濺射形成所述Ni材料；

以Au材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為20～100W，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述Ni材料表面濺射Au材料形成Ni/Au疊層雙金屬材料以作為所述第二金屬材料。

本發明的另一個實施例提供了一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管，其中，所述基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管由上述實施例中任一所述的方法制備形成。

本發明的光電探測二極管采用了雙異質結結構，從而形成雙勢壘，可有效降低漏電流，從而大幅提高光電二極管的器件可靠性，且本發明的實用性較高，目前在SiC襯底上進行同質外延和生長GaN層的工藝已成熟，也出現過在GaN襯底上生長Ga₂O₃的成熟工藝，本發明將兩工藝結合，實用價值高。另外，本發明的光電探測二極管將Ga₂O₃材料應用于光吸收層，充分發揮其在紫外光探測方面的卓越性能，該材料在日盲區光透率可達80％以上，甚至到90％，十分適合應用于光吸收層，此外其透明導電的電學特性也有利于提高光吸收層的光吸收能力，進而大幅提高光電探測二極管的器件性能。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的截面示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的俯視示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法流程示意圖；

圖4a-圖4g為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖；以及

圖6為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1及圖2，圖1為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的截面示意圖，圖2為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的俯視示意圖。本發明的光電探測二極管包括：SiC襯底1、N型同質外延層2、GaN層3、N型Ga₂O₃層4、底電極5、頂電極6、光吸收層7組成。

其中，SiC襯底為N型的4H-SiC或6H-SiC材料；N型同質外延層2為摻雜N元素的SiC，摻雜濃度10¹⁵cm^-3量級；所述GaN層3為摻雜N元素的P型GaN材料，摻雜濃度10¹⁷cm^-3量級；所述N型Ga₂O₃層為摻雜Sn、Si、Al的β-Ga₂O₃(-201)、β-Ga₂O₃(010)或β-Ga₂O₃(001)材料，摻雜濃度10¹⁷cm^-3量級；所述光吸收層為Ti、Al、Ni等材料。

進一步地，所述頂電極為Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或ITO等導電性化合物形成。另外，可以具有由不同的2種以上金屬構成的2層結構，例如Al/Ti。所述底電極為Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或ITO等導電性化合物形成。另外，可以具有由不同的2種及以上金屬構成的2層結構，例如Al/Ti疊層雙金屬材料。

需要說明的是：寬禁帶半導體材料Ga₂O₃，因材料在日盲區的光透率可達80％甚至90％以上而極適合于深紫外光日盲區的光電探測，其光電靈敏度高，兼具藍寶石的透明性與SiC的導電性，是進行光電探測二極管研究的理想材料。

請參見圖3，圖3為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法流程示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟1、選取SiC襯底；

步驟2、在所述SiC襯底表面連續生長同質外延層、GaN層及Ga₂O₃層；

步驟3、在所述Ga₂O₃層表面形成光吸收層；

步驟4、在整個襯底下表面淀積第一金屬材料形成底電極；

步驟5、在整個襯底上表面淀積第二金屬材料形成頂電極以最終形成所述光電探測二極管。

其中，步驟1可以包括：

步驟11、選取N型的4H-SiC或6H-SiC材料作為所述SiC襯底；

步驟12、利用RCA標準清洗工藝對所述SiC襯底進行清洗。

步驟2可以包括：

步驟21、利用LPCVD工藝，在所述SiC襯底表面生長摻雜N元素的SiC材料以形成N型的所述同質外延層；

步驟22、采用MOCVD工藝，在所述同質外延表面生長摻雜N元素的GaN材料以形成所述GaN層；

步驟23、利用MBE工藝，在所述GaN層表面生長摻雜元素為Sn、Si、Al等元素的β-Ga₂O₃材料形成所述Ga₂O₃層。

步驟3可以包括：

采用第一掩膜板，利用磁控濺射工藝在所述Ga₂O₃層表面濺射第三金屬材料形成所述光吸收層。具體地，以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為100W，真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述Ga₂O₃層表面濺射所述Ni材料以作為所述第三金屬材料。

步驟4可以包括：

步驟41、利用磁控濺射工藝在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底的下表面濺射所述第一金屬材料；

步驟42、在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在所述整個襯底的下表面與所述第一金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述底電極的制備。

進一步地，步驟41可以包括：以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為100W，真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述整個襯底的下表面濺射所述Ni材料以作為所述第一金屬材料。

步驟5可以包括：

步驟51、采用第二掩膜板，利用磁控濺射工藝在在包括SiC襯底、所述同質外延層、所述GaN層、所述Ga₂O₃層及所述光吸收層的整個襯底上表面生長所述第二金屬材料；

步驟52、在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在所述整個襯底的上表面與所述第二金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述頂電極的制備。

其中，步驟51可以包括：

步驟511、以Ni材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為20～100W，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述整個襯底表面濺射形成所述Ni材料；

步驟512、以Au材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為20～100W，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa的條件下，在所述Ni材料表面濺射Au材料形成Ni/Au疊層雙金屬材料以作為所述第二金屬材料。

需要重點強調的是，步驟4和步驟5中的底電極和頂電極的工藝流程并不固定。可以先進行底電極的制備，也可以先進行頂電極的制備，此處不做任何限制。

本實施例的光電探測二極管采用了雙異質結結構，從而形成雙勢壘，可有效降低漏電流，從而大幅提高光電二極管的器件可靠性，且本發明的實用性較高，目前在SiC襯底上進行同質外延和生長GaN層的工藝已成熟，也出現過在GaN襯底上生長Ga₂O₃的成熟工藝，本發明將兩工藝結合，實用價值高。

另外，本發明的光電探測二極管將Ga₂O₃材料應用于光吸收層，充分發揮其在紫外光探測方面的卓越性能，該材料在日盲區光透率可達80％以上，甚至到90％，十分適合應用于光吸收層，此外其透明導電的電學特性也有利于提高光吸收層的光吸收能力，進而大幅提高光電探測二極管的器件性能。

實施例三

請一并參見圖4a-圖4g及圖5和圖6，圖4a-圖4h為本發明實施例提供的一種基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法示意圖；圖5為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖及圖6為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖。本實施例在上述實施例的基礎上，對本發明的基于雙異質結的Ga₂O₃/GaN/SiC光電探測二極管的制備方法進行詳細說明如下：

步驟1：請參見圖4a，準備SiC襯底1，厚度為350μm，對襯底進行RCA標準清洗；

步驟2：請參見圖4b，在步驟1所準備的SiC襯底1上通過LPCVD生成N型同質外延層2，摻雜濃度在10¹⁵cm^-3量級，摻雜元素為N，厚度在5～10um；

步驟3：請參見圖4c，在步驟2所準備的N型同質外延層2上通過MOCVD形成GaN層3，摻雜濃度在10¹⁷cm^-3量級，摻雜元素為N，厚度在5～10um；

步驟4：請參見圖4d，在步驟3所準備的GaN層3上通過分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,簡稱MBE)工藝生長β-Ga₂O₃層4，摻雜濃度在10¹⁷cm^-3量級，摻雜元素為Sn、Si、Al等元素，厚度在5～10um；

步驟5：請參見圖4e及圖5，在步驟4所準備的β-Ga₂O₃層4使用第一掩膜版，通過磁控濺射形成Ni光吸收層7；

濺射靶材選用質量比純度>99.99％的鎳，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20～30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為100W的條件下，制備集電極Ni，電極厚度為30nm～100nm。

光吸收層7可選用Ti、Al、Ni等材料。

步驟6：請參見圖4f，在步驟1所準備的N型SiC襯底1下表面通過磁控濺射生長Ni底電極5。

濺射靶材選用質量比純度>99.99％的鎳，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20～30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為100W的條件下，制備集電極Ni，電極厚度為150nm～250nm，之后在1000℃下氮氣或氬氣環境下快速熱退火3min。

底電極的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的2層結構，也可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au\Ag\Pt化學性質穩定；Al\Ti\Ni成本低。

步驟7：請參見圖4g及圖6，在步驟5所準備的光吸收層7和Ga₂O₃層4上使用第二掩膜版，通過磁控濺射生長Ni/Au頂電極6。

濺射靶材選用質量比純度>99.99％的鎳，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20-30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W～100W的條件下，制備頂電極鎳，電極厚度為20nm～30nm。

濺射靶材選用質量比純度>99.99％的Au，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4-1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20-30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W-100W的條件下，制備柵電極金，電極厚度為150nm-200nm，之后在氮氣或氬氣環境下500℃退火3min形成歐姆接觸。

頂電極的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的雙層結構，也可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au\Ag\Pt化學性質穩定；Al\Ti\Ni成本低。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。