专利名称：提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法及探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体光电探测器，尤其是高响应度的氮化镓(GaN)等光导型紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术：
90年代以来，半导体III族氮化物GaN、AlN、InN及其合金AlGaN、InGaN等宽带隙材料和器件的应用研究和发展很快。紫外光电探测器是其中的一种器件。现有的探测器的结构主要分为光导型和光伏型(含p-n结、肖特基结等)两大类，探测器的衬底材料有兰宝石(sapphire)、硅(Si)等。吸收区材料为GaN、AlGaN、InGaN等，以获得不同波长范围的响应。材料的生长方法主要是采用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。美国专利NS5847397给出了一种以兰宝石为衬底材料的氮化物光导型光电探测器，但其探测灵敏度仍可以提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度的方法，尤其是通过提供氮化铝(AlN)作为宽带隙窗口材料以获得高响应度氮化镓(GaN)等光导型紫外光电探测器及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度的方法，其特征是在兰宝石衬底材料上外延生长1200-2200nm厚度的GaN和15-50nm厚度的AlN，并在最上层AlN材料上设有导电电极。
在上述条件下，在AlN/GaN异质结构中可以获得强的方向指向衬底的极化电场(polarization electric-field)。本发明也用于GaN基AlxGa1-xN、AlxInyGa1-x-yN材料光导型光电探测器及其制备方法。材料的禁带宽度低于AlN的禁带宽度。
具有氮化铝(AlN)宽带隙窗口材料的氮化镓(GaN)高响应度光导型紫外探测器，以兰宝石为衬底，以低温GaN(或低温AlN)为缓冲层，外延生长GaN光吸收区材料，紧接着在GaN层上生长AlN异质结构顶层窗口材料，制备成垂直入射的光导型探测器(见附图1)。AlN的禁带宽度比GaN的宽，不会影响GaN吸收区对光的吸收，利用AlN/GaN异质结构所特有的强的自发、压电极化效应所产生的强极化电场在空间上有效分离光生电子-空穴对，光生电子落入AlN/GaN界面的电子阱中，在输运过程中可以降低其直接复合损失，从而提高光生载流子寿命；光生电子在势阱中的迁移率也得到了提高；此外，GaN上外延生长的AlN可以降低GaN的表面态，在外加工作偏压下载流子流向伸入到内部GaN的金属电极处，可减少载流子的表面复合。以上诸因素使得光生载流子在器件内部的损失大大减少，从而提高了探测器的探测灵敏度—“响应度”。
在兰宝石衬底上生长AlN/GaN材料一般是采用MOCVD方法(也可以用其它如分子束外延等)，c-面(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长。生长气源为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)。缓冲层和外延层的生长气源流量、温度、生长时间(决定材料结构的组分、厚度)均以常规方法控制。
本发明提出的新的光导型光电探测器结构的特点是本发明是基于III族氮化物异质结特有的强极化效应实现高响应度的，用极化很强的AlN作为宽带隙窗口材料的GaN光导型探测器比没有用该窗口材料GaN单层结构探测器的响应度将大幅提高，例如此探测器在360nm峰值波长、3.0V偏压下的响应度为2430A/W，在5.0V偏压下的峰值响应度为4220A/W，而同样条件下制备的GaN单层结构探测器在363nm峰值波长、3.0V偏压下的响应度仅为206A/W，在5.0V偏压下的峰值响应度为542A/W。这两种探测器在上述条件下比较得出，本发明探测器的响应度在3.0V下提高了约11.8倍，在5.0V下提高了约7.8倍(见附图2，3)。本发明其原理是从能带工程出发，选择了III族氮化物中极化最强的AlN做为GaN吸收层的宽带隙窗口材料，借助AlN/GaN异质结构的强极化电场，强烈地调节了GaN的能带，使GaN光吸收区中产生的光生电子-空穴对实现有效、迅速的空间分离，大大减小其直接复合，从而提高光生载流子寿命；光生电子落在势阱中输运其迁移率也得到了提高，有利于响应度的增大。此外，AlN钝化了GaN的表面态，且多层金属通过一定时间的快热退火将器件的电极穿过AlN伸入到内部的GaN层，也减少了载流子的表面复合，提高了收集效率。因此，本器件的响应度比没有AlN窗口层的GaN探测器有了大幅提高。
图1为本发明有AlN窗口层的GaN光导型紫外探测器器件的结构剖面示意2为本发明光电探测器和GaN单层探测器在3.0V偏压下的典型光电响应谱3为本发明光电探测器和GaN单层探测器的峰值响应度与外加偏压的关系图具体实施方式
如图所示，图1中AlN/GaN异质结构紫外光电探测器，在c-面(0001)兰宝石衬底材料上依次生长低温GaN(LT-GaN)缓冲层、高温GaN(HT-GaN)吸收层、AlN窗口层，并在顶层AlN材料上设有导电电极。GaN缓冲层、GaN吸收层、AlN窗口层的厚度分别为15-25nm、1200-2200nm、15-50nm。在上述条件下在AlN/GaN界面均可以获得方向指向衬底的强极化电场。
生长方法是以兰宝石为衬底，以低温GaN(厚度为15-25nm)或AlN(厚度为15-25nm)为缓冲层，在缓冲层即图中LT-GaN上生长GaN外延层(厚度为1200-2200nm)作为光吸收区，再在GaN上外延生长AlN窗口层(厚度为15-50nm)。
生长工艺为气源为高纯三甲基镓(TMG)、高纯三甲基铝(TMA)、高纯氨气(NH3)，载气为高纯氢气(H2)。
低温GaN缓冲层的生长及退火TMG(三甲基镓)流量10-15sccm，NH3流量2-5slm，H2流量2-4slm温度450-500℃时间120-150sec压力750Torr退火H2流量1.0slm；NH3流量3.5slm；温度930℃；时间3min吸收层GaN的生长TMG流量30-50sccm，NH3流量3.0-4.0slm，H2流量0.5-1slm温度1050-1100℃时间30-70min压力750Torr窗口层AlN的生长及退火AlN窗口层厚度为15-50nm。
TMA(三甲基铝)流量5-15sccm，NH3流量3-5slm H2流量0.5-1slm温度1050-1100℃，时间100-400sec压力760Torr热退火NH3流量3.5slm；温度1080℃；时间4min本发明实施例的条件更佳的条件是，下述条件所得到的样品为所测试图给出TMA流量10-12sccm；NH3流量3-4slm；H2流量0.5-0.8-slm；温度1080℃-1100℃；时间300-350sec。
本发明实施例的条件还包括下述二个条件TMA流量6、15sccm，NH3流量3、5slmH2流量0.8、1slm；温度1050和1100℃；时间150、375sec；也能得到与测试图类似的结果。
本发明AlN窗口层GaN高响应紫外光电探测器器件的制备，采用AlN/GaN异质结构，顶层有金属电极。图1中电极为Ti/Al/Ni/Au多层金属电极。电极图形为叉指形，典型电极条宽为10μm，长为550μm，电极间距为5-20μm，可以设计多个子单元并联，以增大管芯输出光生电流。电极金属采用多层金属以获得良好的欧姆接触，Ti/Al/Ni/Au的典型厚度依次为30/100/40/200nm，用电子束蒸发获得。金属电极图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备。金属电极的合金化在高纯N2中，900℃，10-50秒的条件下使金属电极通过AlN表层伸入到下面的GaN。由于本发明GaN及AlN材料的能带为宽的直接带隙，因此，适用于紫外波段的光电探测器器件。
权利要求
1.提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，光导型紫外光电探测器的基础上，其特征是在GaN表面设有AlN窗口材料，在顶层AlN材料上设有导电电极。
2.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是在兰宝石衬底材料上生长下述结构的材料AlN/GaN。
3.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是GaN、AlN的厚度分别1200-2200nm、15-50nm。
4.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是在GaN表面设有AlN窗口材料生长条件是，在真空条件下，TMA流量5-15sccm，NH3流量3-5slm，H2流量0.5-1slm；温度1050-1100℃，生长时间100-400sec。
5.由权利要求1所述的提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，其特征是以c-面(0001)兰宝石为衬底，经常规清洗后，放入反应室内采用MOCVD方法生长，经预处理、缓冲层生长、外延层生长三个阶段完成材料生长；生长气源为三甲基镓(TGM)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)，载气为氢气(H2)；其特征是用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属作为电极，金属电极的图形采用光刻技术和正胶剥离技术制备，金属电极在纯N2中，900℃、10-50秒的合金化条件下使金属电极通过AlN顶层伸入到下面的GaN层。
6.氮化镓光导型紫外光电探测器，其特征是在兰宝石衬底上，设有低温GaN或低温AlN为缓冲层，其厚度为15-25nm，并在缓冲层上生长GaN，厚度为1200-2200nm及AlN异质窗口层，厚度为15-50nm，并设有金属电极通过AlN表层伸入到下面的GaN层。
全文摘要
提高氮化镓光导型紫外光电探测器响应度方法，在GaN表面设有AlN窗口材料，在顶层AlN材料上设有导电电极。在蓝宝石衬底材料上生长下述异质结构材料以低温GaN为缓冲层并外延生长GaN吸收层、AlN窗口层，并在顶层AlN材料上设有导电电极。GaN缓冲层、GaN吸收层、AlN窗口层的厚度分别为15－25nm、1200－2200nm、15－50nm。以上述材料制备垂直入射的光导型探测器。在上述条件下在AlN/GaN异质结界面可以获得强的极化电场。提高了收集效率。
文档编号H01L31/18GK1617358SQ20041006518
公开日2005年5月18日 申请日期2004年10月29日 优先权日2004年10月29日
发明者江若琏, 沈波, 郑有炓, 周建军, 陈鹏, 张 荣, 韩平, 谢自力, 文博, 姬小利 申请人:南京大学