一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体紫外光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法。一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其中，包括衬底，利用金属有机化学气相沉积外延外生长法（或分子束外延生长法），依次在衬底上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层，非故意掺杂高温AlN缓冲层，非故意掺杂AlmGa1‑mN窗口层，n型AlmGa1‑mN层，n型AlnGa1‑nN组分缓变层，非故意掺杂AlaGa1‑aN吸收倍增层，非故意掺杂AlbGa1‑bN吸收倍增层，非故意掺杂AlcGa1‑cN吸收倍增层,Mg掺杂p型AlxGa1‑xN层，非故意掺杂AlxGa1‑xN层,n型AlyGa1‑yN组分缓变层和n型AlzGa1‑zN层，以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极。

【技术实现步骤摘要】
一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法
本专利技术涉及半导体紫外光电探测器的
，更具体地，涉及一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着信息技术的发展，人们对周围环境信息捕获和探测的手段越来越多样化，紫外光电探测器开始被广泛应用在军事、民用和科研等多个领域，并且人们对高性能紫外光电探测器的需求也日益增强。目前市场上常见的紫外光电探测器主要是Si基光电二极管和配有滤波片的真空电子光电倍增管。基于III族氮化物半导体（包括二元化合物GaN、AlN，三元化合物AlGaN、InGaN、AlInN以及四元化合物AlInGaN）的紫外光电探测器因该半导体材料系统具有直接带隙，其多元化合物的禁带宽度随组分变化连续可调，从而可以实现本征可见光盲（光响应截止波长在280~363nm范围）及日盲（光响应截止波长在200~280nm）紫外探测、抗辐射、耐恶劣环境等特点而备受关注，成为当前的研究热点。其中，基于肖特基和PN结的GaN、AlGaN基可见光盲、日盲紫外光电二极管探测器已经商用化。但是，由于紫外光信号在大气的传输中衰减强烈，在通常情况下，待探测的紫外光信号特别是日盲紫外信号都是非常微弱的，因而要求信号接收端的光电探测器需具备光电增益。目前，在研发的增益型III族氮化物紫外光电探测器主要有雪崩光电二极管（avalanchephotodiode，APD）和异质结光电晶体（heterojunctionphototransistor，HPT）管探测器。对于宽禁带半导体雪崩光电二极管，一般需要在二极管两端施加高反向偏压，在器件的耗尽区内产生足够强的电场，使得光生电子-空穴对在高场作用下产生碰撞电离，即雪崩倍增效应，从而获得高内部光电增益和响应速度。对于AlGaN基雪崩光电二极管来讲，通常需要上百伏的工作电压来产生雪崩击穿，而由于AlGaN外延层中存在较高的位错密度以及器件工艺制备过程中产生的缺陷，会导致高反向偏压工作下的雪崩光电二极管具有较高的漏电流（暗电流）。此外，基于p-i-n结构的典型AlGaN紫外雪崩光电二极管，其雪崩增益是由电子和空穴共同主导的碰撞离化所产生的，存在较高的过剩噪声。另一方面，异质结光电晶体管（NPN型）则是利用入射光在基区与集电区间的耗尽层或在基区所产生的光生空穴在基区累积，降低发射区-基区结的导带势垒，使发射区中的大量电子渡越基区流向集电区，形成比光生电流大得多的集电极电流，从而产生诱导增益。AlGaN基异质结光电晶体管具有工作电压低（通常低于10V），因而漏电流较小；由于HPT不是工作在雪崩击穿条件下，器件可靠性相对高于APD，对外延材料中缺陷（以位错为主）的要求也相对较低；相比于APD器件，对工作电压及温度不十分敏感等一系列优点。然而，HPT的光电增益属于诱导增益，需要在发射区-基区结的价带势垒处积累足够多的光生空穴才能降低导带势垒，从而使发射区电子渡越基区，因此其微弱光（单光子）探测能力低于APD，响应速度也稍慢。除此以外，当前AlGaN基HPT探测器通常采用Mg元素掺杂得到p型外延层，而Mg原子在外延生长过程中会因为高温扩散而运动到其它外延层（包括前向与后向扩散），尤其是在p型层之后生长的外延层，会受到前向扩散与Mg记忆效应的双重影响，即Mg原子会对其后生长的n型外延层产生杂质补偿，使HPT中的pn结界面位置发生偏移，不但影响各个功能层的杂质分布（影响结构设计），也会影响外延层的结晶质量，最终劣化探测器的性能。
技术实现思路
针对现有的AlGaN基APD存在的在高反向偏压下漏电流大、雪崩过剩噪声大（电子与空穴共同触发雪崩）、雪崩工作电压高、因材料外延层中位错密度高而在雪崩击穿工作条件下易失效的问题；HPT存在的微弱光探测能力低以及响应速度较慢、p型掺杂原子Mg扩散劣化器件性能等问题，本专利技术的目的在于提供一种含有多异质结倍增区和低温插入层的雪崩异质结光电晶体管。众所周知，需要探测的紫外光信号通常强度微弱，而且在传输过程中衰减快。倍增噪声高、漏电流大以及响应速度慢等问题会严重影响紫外探测器的探测性能。因此，设计一种探测器，把雪崩光电二极管和异质结光电晶体管的优点结合起来，同时避免它们的缺点，具有重要的意义。此外，对于AlGaN基HPT，抑制p型外延层Mg原子的高温扩散，是实现AlGaN基HPT高性能紫外光探测的一个重要前提。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其中，包括衬底，利用金属有机化学气相沉积外延外生长法（或分子束外延生长法），依次在衬底上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层，非故意掺杂高温AlN缓冲层，非故意掺杂AlmGa1-mN窗口层，n型AlmGa1-mN层，n型AlnGa1-nN组分缓变层，非故意掺杂AlaGa1-aN吸收倍增层，非故意掺杂AlbGa1-bN吸收倍增层，非故意掺杂AlcGa1-cN吸收倍增层,Mg掺杂p型AlxGa1-xN层，非故意掺杂AlxGa1-xN层,n型AlyGa1-yN组分缓变层和n型AlzGa1-zN层，以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极。进一步的，所述的衬底材料为蓝宝石、AlN或其他宽禁带材料衬底，其禁带宽度需能允许日盲紫外光入射通过。所述的非故意掺杂低温AlN缓冲层的厚度为10-100nm；所述非故意掺杂高温AlN缓冲层的厚度为0.2-2.0μm；AlN缓冲层用于缓解晶格和热膨胀系数失配，降低材料生长的缺陷、应力和位错密度，从而保证其上的AlGaN外延层具有良好的晶体质量。所述的非故意掺杂AlmGa1-mN窗口层的Al组分m=0.6~0.8，厚度为0.1-1.0μm，用来缓释AlN和上层AlGaN间的晶格失配，同时作为衬底侧光信号入射的窗口；所述n型AlmGa1-mN层的Al组分m=0.6~0.8，厚度为0.1-0.6μm，电子浓度为1-5×1018cm-3，用作集电区和欧姆电极接触层。所述的n型AlnGa1-nN组分缓变层的Al组分n在下层的Al组分m与上层的Al组分a之间线性变化，厚度为10-30nm，电子浓度为1-5×1018cm-3，用于改善能带带阶对光生电子、空穴输运的阻挡，从而利于光生载流子的收集。所述的非故意掺杂AlaGa1-aN倍增吸收层的Al组分a=0.55~0.75，厚度为30-150nm；所述非故意掺杂AlbGa1-bN倍增吸收层的Al组分b=0.47~0.67，厚度为30-150nm；所述非故意掺杂AlcGa1-cN倍增吸收层的Al组分c=0.38~0.47，厚度为30-150nm；Al组分a、b和c的大小关系应满足a>b>c；AlaGa1-aN层、AlbGa1-bN层和AlcGa1-cN层组合形成多异质结倍增区，利用多异质结能带结构不连续性，在促进空穴的碰撞电离的同时抑制电子的碰撞电离，可有效降低倍增噪声。所述的p型AlxGa1-xN层的Al组分x=0.38~0.47之间，厚度为100-200nm,空穴浓度为3×1017-5×1018cm-3，用作基区。所述的非故意掺杂AlxGa1-xN层的Al组分x=0.38~0.47，厚度为10-50nm，其生长温度较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其特征在于，包括衬底（1），利用外延生长法，依次在衬底（1）上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层（2），非故意掺杂高温AlN缓冲层（3），非故意掺杂AlmGa1‑mN窗口层（4），n型AlmGa1‑mN层（5），n型AlnGa1‑nN组分缓变层（6），非故意掺杂AlaGa1‑aN吸收倍增层（7），非故意掺杂AlbGa1‑bN吸收倍增层（8），非故意掺杂AlcGa1‑cN吸收倍增层（9）,Mg掺杂p型AlxGa1‑xN层（10），非故意掺杂AlxGa1‑xN层（11）,n型AlyGa1‑yN组分缓变层（12）和n型AlzGa1‑zN层（13），以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极（14）。

【技术特征摘要】
1.一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其特征在于，包括衬底（1），利用外延生长法，依次在衬底（1）上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层（2），非故意掺杂高温AlN缓冲层（3），非故意掺杂AlmGa1-mN窗口层（4），n型AlmGa1-mN层（5），n型AlnGa1-nN组分缓变层（6），非故意掺杂AlaGa1-aN吸收倍增层（7），非故意掺杂AlbGa1-bN吸收倍增层（8），非故意掺杂AlcGa1-cN吸收倍增层（9）,Mg掺杂p型AlxGa1-xN层（10），非故意掺杂AlxGa1-xN层（11）,n型AlyGa1-yN组分缓变层（12）和n型AlzGa1-zN层（13），以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极（14）。2.根据权利要求1所述的AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在n型AlzGa1-zN层（13）上旋涂一层光刻胶，采用配有器件图形的光刻版，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分n型AlzGa1-zN层（13），其余未显影的光刻胶层作为一次掩膜；步骤2：使用干法刻蚀技术，刻蚀暴露出的AlGaN外延层，刻蚀深度至n型AlmGa1-mN层（5），形成台阶结构；步骤3：对干法刻蚀后的晶片进行纯氮气氛围保护下的快速热退火处理及湿法处理，恢复干法刻蚀形成的表面损伤；步骤4：利用真空蒸镀技术分别在n型AlzGa1-zN层（13）和n型AlmGa1-mN层（5）的台面边缘处蒸镀由金属层组合的环形金属接触；步骤5：对环形金属组合层进行合金化处理，形成n型欧姆接触电极（14）；步骤6：利用有机溶液、去离子水清洗器件表面，其后采用等离子增强化学气相沉积法或低压力化学气相沉积法在器件表面镀制氧化硅或氮化物钝化薄膜，保护除金属电极之外的器件表面。3.根据权利要求2所述的一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器的制备方法，其特征在于：所述的衬底材料（1）为蓝宝石、AlN或其他宽禁带材料衬底，其禁带宽度需能允许日盲紫外光入射通过。4.根据权利要求2所述的一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器的制备方法，其特征在于：所述的非故意掺杂低温AlN缓冲层（2）的厚度为10-100nm；所述非故意掺杂高温AlN缓冲层（3）的厚度为0.2-2.0μm；AlN缓冲层用于缓解晶格和热膨胀系数失配，降低材料生长的缺陷、应力和位错密度，从而保证其上的AlGaN外延层具有良好的晶体质量。5.根据权利要求2所述的一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器的制备方法，其特征在于：所述的非故意掺杂AlmGa1-mN窗口层（4）的Al组分m=0.6~0.8，厚度为0.1-1.0μm，用来缓释AlN和上层AlGaN间的晶格失配，同时作为衬底侧光...

【专利技术属性】
技术研发人员：江灏，欧杨辉，邱新嘉，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44