N极性面AlGaN基紫外光电探测器外延结构及其制备方法

n极性面algan基紫外光电探测器外延结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电器件探测器技术领域，特别涉及一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.以gan为代表的iii族氮化物材料是新一代光电器件的热点材料，由于其较宽的禁带宽度、较快的工作速度、优异的导电导热性能和损耗极低等优良特性，被视为是实现高性能光电器件小型化的优异替代材料。然而传统的金属极性的algan光电探测器外延结构由于高温热稳定性弱、材料内部极化电场影响等缺陷的限制，同时随着n极性面iii族氮化物材料制备工艺的日渐成熟，n极性algan材料被视为传统金属极性algan基光电探测器的替代材料。由于n极性面algan相比于传统金属极性面具有相反的内建电场方向、更活泼的表面状态，因此现阶段通过传统方法进行n极性面algan材料的生长不能有效提高其表面质量。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构及其制备方法，该n极性面algan紫外光电探测器工作响应度大，灵敏度高。
4.本发明的第一个目的在于提供一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构。
5.本发明的第二个目的在于提供一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构的制备方法。
6.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构，包括在硅衬底上依次生长的非掺杂n极性面aln缓冲层、碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层、碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n缓冲层和非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层；其中，x＝0.5～0.8，y＝0.75～0.95。
8.进一步的，所述非掺杂n极性面aln缓冲层包括低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层和高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层，所述低温生长非掺杂n极性aln缓冲层生长在所述硅衬底上，所述高温生长非掺杂n极性aln缓冲层生长在所述低温生长非掺杂n极性aln缓冲层上。
9.进一步的，所述低温生长非掺杂n极性aln缓冲层的厚度为100～150nm，所述高温生长非掺杂n极性aln缓冲层的厚度为250～380nm。
10.进一步的，所述碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层的厚度为380～440nm，掺杂浓度为6.0
×
10
17
～4.0
×
10
18
cm-3
。
11.进一步的，所述碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n缓冲层的厚度为480～630nm，掺杂浓度为5.0
×
10
16
～2.0
×
10
17
cm-3
。
12.进一步的，所述非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层的厚度为300～450nm。
13.进一步的，所述硅衬底采用单晶硅衬底，以si(111)密排面为外延面，以aln1.方向作为材料外延生长方向。
14.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
15.一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构的制备方法，所述方法包括：
16.将所述硅衬底进行超声清洗后吹干；
17.采用脉冲激光沉积工艺，将所述硅衬底放入真空室中，在所述硅衬底上外延生长非掺杂n极性面aln缓冲层，从而制得n极性面aln样品；
18.采用金属有机物化学气相沉积设备生长法，将所述n极性aln样品放入生长腔室内，并向腔室内通入nh3、n2、h2、ch4和三甲基铝，在所述非掺杂n极性面aln缓冲层上外延生长碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层；
19.在完成所述碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层生长后，将腔体温度降低，同时向腔室内通入三甲基镓，在所述碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层上原位生长碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层；
20.在金属有机化合物化学气相沉积设备中完成所述碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层生长后，关闭ch4的气路，将腔体温度升高，在所述碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层上原位生长非掺杂n极性algan层，同时通过调整三甲基铝流量与生长温度，调控膜层al组分变化。
21.进一步的，所述在所述硅衬底外延生长非掺杂n极性面aln缓冲层，从而制得n极性面aln样品，具体包括：
22.所述硅衬底在富n条件下生长低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层，al源为aln高纯陶瓷靶材；
23.在完成所述低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层生长后，将系统温度升高，腔体内真空度、激光能量、激光频率和氮气流量保持不变，在所述低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层上生长高温非掺杂n极性面aln缓冲层，从而制得n极性面aln样品。
24.进一步的，所述硅衬底采用单晶硅衬底，以si(111)密排面为外延面，以aln[0001]方向作为材料外延生长方向。
[0025]
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0026]
1、本发明提供的n极性面algan紫外光电探测器外延结构，在非掺杂n极性面algan层下面生长一层碳掺杂的步进式n极性algan薄膜，通过增强载流子的迁移率，能够有效增加非掺杂n极性algan薄膜的光电流的产生，增强algan基紫外探测器的功率和探测率。
[0027]
2、本发明使用n极性algan作为器件的基础材料，相比于金属极性的algan材料，能够有效提高器件结构的高温稳定性，并减少algan内部极化电场的影响，有效提高紫外光电探测器的光电响应度并有效降低后续器件加工难度。
[0028]
3、本发明采用低温脉冲激光沉积结合高温mocvd的两步生长法，生长n极性面algan紫外光电探测器外延结构所需要的材料，并通过步进式的algan外延缓冲层的结构设计，可以有效抑制iii族氮化物与硅衬底间在高温下存在的回炉刻蚀反应、以及异质结构间较大的晶格失配，从而降低高温mocvd生长的n极性algan外延层的位错密度和表面粗糙度。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明实施例的在n极性面algan紫外光电探测器外延结构示意图。
[0031]
图2为本发明实施例的n极性algan外延片表面形貌原子力显微镜图。
[0032]
图3为本发明实施例的n极性algan(0002)薄膜x射线摇摆曲线测试图。
[0033]
图1中：
[0034]
1-硅衬底、2-低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层、3-高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层、4-碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层、5-碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层、6-非掺杂n极性面algan层。
具体实施方式
[0035]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0036]
实施例：
[0037]
本实施例提供了一种n极性面algan紫外光电探测器外延结构的制备方法，所述方法包括：
[0038]
所述硅衬底采用单晶硅衬底，以si(111)密排面为外延面，以aln[0001]方向作为材料外延生长方向；
[0039]
将所述硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水三种介质中，依次超声清洗，取出后用去离子水冲洗并使用热高纯氮气吹干；
[0040]
采用脉冲激光沉积工艺，将所述硅衬底放入真空室中，将温度升高至420～500℃、腔体内真空度抽至2.0
×
10-4
～4.0
×
10-4
torr、激光能量为250～320mj、激光频率为15～30hz、氮气流量为2～10sccm，在富n条件下生长n极性aln薄膜，al源为aln高纯陶瓷靶材；
[0041]
在完成所述n极性aln薄膜生长后，将温度升高至850℃，腔体内真空度、激光能量、激光频率和氮气流量保持不变，在所述n极性aln薄膜上外延生长高温非掺杂n极性面aln缓冲层，从而制得n极性面aln样品；
[0042]
采用金属有机化合物化学气相沉积生长法(mocvd技术)，将制备的所述n极性aln样品放入生长腔室内，将腔室真空度抽至2.0
×
10-6
～4.0
×
10-6
torr，温度升至1000～1100℃，并向腔室内通入nh3、n2、h2、ch4和三甲基铝，在所述高温非掺杂n极性面aln缓冲层的外延片上外延生长碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层；气相沉积中，反应室气压为180～220torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝流量分别为30～50slm、60～100slm、10～20slm和350～440sccm；
[0043]
在完成所述碳掺杂半绝缘化n极性aln缓冲层生长后，将腔体温度降至770～800℃，同时向腔室内通入三甲基镓，在外延片上原位生长碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层；气相沉积中反应室气压为180～240torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝和三甲基镓流量分别为
30～50slm、60～100slm、15～24slm、400～450sccm和100～150sccm；
[0044]
在mocvd中完成所述碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层生长后，关闭ch4的气路，将腔体温度升至820～850℃，在外延片上原位生长非掺杂n极性algan层；气相沉积中反应室气压为180～240torr，nh3、h2、三甲基铝和三甲基镓流量分别为30～50slm、60～100slm、400～450sccm和100～150sccm，同时，通过调整三甲基铝流量与生长温度，调控膜层al组分变化。
[0045]
本实施例制备得到的n极性面algan紫外光电探测器外延结构参见图1。
[0046]
在一个实施例中，一种n极性面algan基紫外光电探测器外延结构的制备方法，具体如下：
[0047]
(1)衬底及其晶向的选取：采用单晶硅衬底，以si(111)密排面作为外延面，以aln[0001]方向作为材料外延生长方向；
[0048]
(2)衬底表面清洗：将硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水三种介质中，依次超声清洗5min，取出后用去离子水冲洗并使用热高纯氮气吹干；
[0049]
(3)非掺杂n极性面aln缓冲层低温外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将洁净衬底放入真空室中，将衬底温度升高至450℃，腔内真空度抽至2.0
×
10-4
torr，激光能量为300mj，激光频率为15hz，氮气流量为4sccm，富n条件下生长n极性aln薄膜，al源为aln高纯陶瓷靶材；
[0050]
(4)非掺杂n极性面aln缓冲层高温外延生长：将温度升高至850℃，其他参数保持与步骤(3)相同；
[0051]
(5)碳掺杂n极性aln层外延生长：采用mocvd技术，将已制备的n极性aln样品放入生长腔室内，将腔室真空度抽至3.0
×
10-6
，温度升至1050℃，并向腔室内通入nh3、n2、h2、ch4、三甲基铝，在步骤(4)得到的外延片上外延生长碳掺杂n极性面aln层；所述气相沉积中，反应室气压为200torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝流量分别为40slm、75slm、17slm、400sccm；
[0052]
(6)碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(5)膜层生长后，将腔体温度降至780℃，同时向腔室内通入三甲基镓，在外延片上原位生长碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层。所述气相沉积中反应室气压为210torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝和三甲基镓流量分别为40slm、80slm、20slm、400sccm、20/100sccm(y＝0.95时，流量为20sccm；当y＝0.75，流量为100sccm)；
[0053]
(7)非掺杂n极性al
x
ga
1-x
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(6)膜层生长后，关闭ch4的气路，将腔体温度升至830℃，在外延片上原位生长非掺杂n极性algan层。所述气相沉积中反应室气压为210torr，nh3、h2、三甲基铝和三甲基镓流量分别为40slm、80slm、430sccm、120sccm。同时，通过调整三甲基铝流量与生长温度调控膜层al组分变化。
[0054]
本实施例得到的n极性面algan紫外光电探测器外延结构，包括在硅衬底1上依次生长的非掺杂n极性面aln缓冲层(包括低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层2和高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层3)、碳掺杂n极性面aln层4、碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n缓冲层5和非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层6；其中，非掺杂n极性面aln层缓冲层为420nm，其中低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为120nm，高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为300nm，碳掺杂n极性面aln层厚度为380nm，掺杂浓度为2.0
×
10
18
cm-3
；碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n(由下往上y的取值从0.95变化到0.75)缓冲层厚度为500nm，掺杂浓度为1.5
×
10
17
cm-3
；非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层厚度为300nm。
[0055]
本实施例制备得到的n极性面algan紫外光电探测器外延结构参见图1，该生长条件下生长的外延结构中，algan薄膜表面原子力显微镜表征图参见图2，可见表面质量较好；n极性algan(0002)薄膜x射线摇摆曲线测试结果参见图3，可见薄膜晶体质量良好。
[0056]
在一个实施例中，一种n极性面algan基紫外光电探测器外延结构的制备方法，具体如下：
[0057]
(1)衬底及其晶向的选取：采用单晶硅衬底，以si(111)密排面作为外延面，以aln[0001]方向作为材料外延生长方向；
[0058]
(2)衬底表面清洗：将硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水三种介质中，依次超声清洗5min，取出后用去离子水冲洗并使用热高纯氮气吹干；
[0059]
(3)非掺杂n极性面aln缓冲层低温外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将洁净衬底放入真空室中，将衬底温度升高至420℃，腔内真空度抽至2.0
×
10-4
torr，激光能量为250mj，激光频率为15hz，氮气流量为2sccm，富n条件下生长n极性aln薄膜，al源为aln高纯陶瓷靶材；
[0060]
(4)非掺杂n极性面aln缓冲层高温外延生长：将温度升高至950℃，其他参数保持与步骤(3)相同；
[0061]
(5)碳掺杂n极性aln层外延生长：采用mocvd技术，将已制备的n极性aln样品放入生长腔室内，将腔室真空度抽至2.0
×
10-6
torr，温度升至1000℃，并向腔室内通入nh3、n2、h2、ch4、三甲基铝，在步骤(4)得到的外延片上外延生长碳掺杂n极性面aln层；所述气相沉积中，反应室气压为180torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝流量分别为30slm、65slm、13slm、380sccm；
[0062]
(6)碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(5)膜层生长后，将腔体温度降至780℃，同时向腔室内通入三甲基镓，在外延片上原位生长碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层。所述气相沉积中反应室气压为210torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝和三甲基镓流量分别为30slm、60slm、15slm、420sccm、20/100sccm(y＝0.95时，流量为20sccm；当y＝0.75，流量为100sccm)；
[0063]
(7)非掺杂n极性al
x
ga
1-x
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(6)膜层生长后，关闭ch4的气路，将腔体温度升至830℃，在外延片上原位生长非掺杂n极性algan层。所述气相沉积中反应室气压为210torr，nh3、h2、三甲基铝和三甲基镓流量分别为40slm、80slm、430sccm、120sccm。同时，通过调整三甲基铝流量与生长温度调控膜层al组分变化。
[0064]
本实施例得到的n极性面algan紫外光电探测器外延结构，包括在硅衬底上依次生长的非掺杂n极性面aln层缓冲层、碳掺杂n极性面aln层、碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n缓冲层(由下往上y＝0.95～0.75)、非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层；所述非掺杂n极性面aln层缓冲层为420nm，其中低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为120nm，高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为300nm；碳掺杂n极性面aln层厚度为380nm，掺杂浓度为6.0
×
10
17
～4.0
×
10
18
cm-3
；碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n(由下往上y＝0.95～0.75)缓冲层厚度为500nm，掺杂浓度为5.0
×
10
16
～2.0
×
10
17
cm-3
；非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层厚度为300nm。
[0065]
本实施例制备的n极性面algan紫外光电探测器外延结构测试结果参见图3。
[0066]
在一个实施例中，一种n极性面algan基紫外光电探测器外延结构的制备方法，具体如下：
[0067]
(1)衬底及其晶向的选取：采用单晶硅衬底，以si(111)密排面作为外延面，以aln[0001]方向作为材料外延生长方向；
[0068]
(2)衬底表面清洗：将硅衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水三种介质中，依次超声清洗5min，取出后用去离子水冲洗并使用热高纯氮气吹干；
[0069]
(3)非掺杂n极性面aln缓冲层低温外延生长：采用脉冲激光沉积工艺，将洁净衬底放入真空室中，将衬底温度升高至500℃，腔内真空度抽至2.0
×
10-4
torr，激光能量为320mj，激光频率为25hz，氮气流量为10sccm，富n条件下生长n极性aln薄膜，al源为aln高纯陶瓷靶材；
[0070]
(4)非掺杂n极性面aln缓冲层高温外延生长：将温度升高至1000℃，其他参数保持与步骤(3)相同；
[0071]
(5)碳掺杂n极性aln层外延生长：采用mocvd技术，将已制备的n极性aln样品放入生长腔室内，将腔室真空度抽至4.0
×
10-6
，温度升至1100℃，并向腔室内通入nh3、n2、h2、ch4、三甲基铝，在步骤(4)得到的外延片上外延生长碳掺杂n极性面aln层；所述气相沉积中，反应室气压为200torr(180～220)，nh3、h2、ch4、三甲基铝流量分别为50slm、85slm、20slm、440sccm；
[0072]
(6)碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(5)膜层生长后，将腔体温度降至780℃，同时向腔室内通入三甲基镓，在外延片上原位生长碳掺杂n极性面组分渐变algan缓冲层。所述气相沉积中反应室气压为210torr，nh3、h2、ch4、三甲基铝和三甲基镓流量分别为50slm、100slm、24slm、450sccm、20/100sccm(y＝0.95时，流量为20sccm；当y＝0.75，流量为100sccm)；
[0073]
(7)非掺杂n极性al
x
ga
1-x
n层外延生长：在mocvd中完成步骤(6)膜层生长后，关闭ch4的气路，将腔体温度升至850℃，在外延片上原位生长非掺杂n极性algan层。所述气相沉积中反应室气压为240torr，nh3、h2、三甲基铝和三甲基镓流量分别为50slm、100slm、450sccm、120sccm。同时，通过调整三甲基铝流量与生长温度调控膜层al组分变化。
[0074]
本实施例得到的n极性面algan紫外光电探测器外延结构，包括在硅衬底上依次生长的非掺杂n极性面aln层缓冲层、碳掺杂n极性面aln层、碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n缓冲层(由下往上y＝0.95～0.75)和非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层；所述非掺杂n极性面aln层缓冲层为500nm，其中低温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为150nm，高温生长非掺杂n极性面aln缓冲层厚度为350nm；碳掺杂n极性面aln层厚度为400nm，掺杂浓度为2.0
×
10
18
cm-3
；碳掺杂n极性面组分渐变alyga
1-y
n(由下往上y＝0.95,0.75)缓冲层厚度为550nm，掺杂浓度为1.5
×
10
17
cm-3
；非掺杂n极性面al
x
ga
1-x
n层厚度为350nm。
[0075]
本实施例制备的n极性面algan紫外光电探测器外延结构测试结果参见图3。
[0076]
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。