基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管及其制备方法。氮化镓异质结薄膜的主体结构为SiN/GaN/Al

【技术实现步骤摘要】
基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体光电
中的光电二极管，特别涉及一种基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]光子学和电子学的结合是下一代系统级芯片的主流，在光通信和光计算领域中显示出巨大的潜力。作为将光信号转换为电信号的光电接口，芯片级半导体光电二极管 (PD) 在光电集成系统中发挥着重要作用。然而，基于体材料制备的传统 PD不具有光电流极性，这限制了它们的多功能检测能力。因此，引入可以转换光电流极性的双极 PD将成为未来光电集成器件的发展方向。近年来，光电流极性的转换在光电传感器领域得到了广泛的研究。双极 PD 不仅可以改变光电流大小，还可以根据不同波长的入射光切换光电流方向。这种与波长相关的双极光响应行为可用于许多领域，例如光谱分辨和成像、光通信和光逻辑电路。
[0003]目前，基于光电化学效应的双极型光电探测器件已经被报道，例如，基于α
‑
Fe2O3和 CuFeO2复合材料工作电极的 PD、基于掺氟 SnO2上的 α
‑
Ga2O3/Cu2O 异质结构制备的PD和利用硅上p
‑
AlGaN/n
‑
GaN纳米线制备的PD.这些器件中的光电流转换有赖于光电化学 (PEC) 效应在不同光子能量下的相反的氧化还原反应。尽管这些器件可以实现稳定的双极性光响应，但它们的机械和化学稳定性受到参比电极、电解质溶液或其他外部组件的严重限制。为了解决这个问题，研究者们开发出了全固态双极型PD，例如由 p
‑
SnS/ZnO、p
‑
Sb2Se3/ZnO和InAs/InP异质结制成的PD。这类器件的双极光响应是半导体的光伏 (PV) 效应和热电效应共同导致的，称为光热电 (PTE) 效应。虽然此类器件具有稳定的机械性能和小尺寸的特点，适用于片上光电探测，但 PTE 效应的工作机制限制了器件的热稳定性。因此，开发一种基于纯PV效应的全固态双极型光电探测器件，在芯片级应用中更为可取。设计此类器件需要在异质结构中进行复杂的能带和光生电场的调制。许多具有双极性光响应的基于纯PV效应的PD 原型依赖于低维材料/结构的表面/界面效应，例如纳米线/纳米棒、纳米颗粒、等离子体和量子点。然而，这些由纳米结构组成的器件被认为难以实现集成化和大规模生产。因此，设计和开发一种基于异质结结构的薄膜 PD 成为实现光电流转换的优选方案。

技术实现思路

[0004]为了克服上述双极型光电二极管器件具有的弊端，本专利技术的目的在于提供一种基于在 Si 衬底上生长的氮化镓(GaN)异质结薄膜的全固态双极型紫外 (UV) PD。由于通过极化工程在GaN异质结中设计了对立的极化电场，在零偏压下，我们设计的UV PD 可以实现高性能的双极性光电响应。本专利技术开发了一种高性能芯片级双极型UV PD，具有可集成和可大规模制备的特点。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0006]本专利技术提供一种基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管的制备方法，包括以
下步骤：（1）采用金属有机化学气相沉积法MOCVD在Si（111）衬底上依次外延生长Al
x
Ga1‑
x
N外延缓冲层，非掺杂GaN沟道层，非掺杂AlN插入层，非掺杂Al
y
Ga1‑
y
N势垒层，0.15≤y≤0.35，非掺杂GaN帽层和SiN介电层，得到氮化镓异质结外延片；（2）在步骤（1）所得的晶圆表面，通过紫外光刻定义出器件的工作区域，然后通过氯气Cl2感应耦合等离子体ICP对工作区域之外的区域进行干法刻蚀，实现单个器件的隔离；（3）对步骤（2）所得的晶圆进行去胶清洗，然后通过紫外光刻在器件工作区域定义出阴极电极区域，通过电子束蒸发设备沉积阴极金属，并对晶圆进行剥离清洗；（4）对步骤（3）所得的晶圆进行快速热退火处理形成阴极欧姆接触；（5）在步骤（4）所得的晶圆表面生长一层二氧化硅钝化层；（6）在步骤（5）所得的晶圆表面，通过紫外光刻定义出器件的阳极区域，并采用缓冲氧化刻蚀剂去除阳极区域的二氧化硅钝化层；（7）在步骤（6）所得的晶圆表面，通过电子束蒸发设备沉积阳极金属，并对晶圆进行剥离清洗，得到双极型光电二极管。
[0007]上述步骤（1）中，Si（111）衬底为晶面高阻硅衬底；Al
x
Ga1‑
x
N外延缓冲层包括非掺杂AlN层，非掺杂Al
0.8
Ga
0.2
N层、非掺杂Al
0.6
Ga
0.4
N层、Al
0.4
Ga
0.6
N层和非掺杂Al
0.2
Ga
0.8
N层；其中，非掺杂AlN层的厚度为100
‑
200 nm，非掺杂Al
0.8
Ga
0.2
N层的厚度为200
‑
300 nm，非掺杂Al
0.6
Ga
0.4
N层的厚度为300
‑
500 nm，非掺杂Al
0.4
Ga
0.6
N层的厚度为300
‑
500 nm，非掺杂Al
0.2
Ga
0.8
N层的厚度为200
‑
300 nm；非掺杂GaN沟道层的厚度为1
‑
2μm；非掺杂AlN插入层的厚度为0.5
‑
1nm；非掺杂Al
y
Ga1‑
y
N势垒层的厚度为20
‑
30nm；非掺杂GaN帽层的厚度为2
‑
5 nm；SiN介电层的厚度为3~5 nm。
[0008]上述步骤（2）中，ICP刻蚀深度是100~200 nm。
[0009]上述步骤（3）中，阴极金属结构为Ti/Al/Ni/Au四层金属，其中，Ti的厚度为10
‑
30 nm，Al的厚度为60~150 nm，Ni的厚度为30~60 nm，Au的厚度为30~100 nm。
[0010]上述步骤（4）中，快速热退火温度为800~900℃，时间为30~60 s。
[0011]上述步骤（5）中，二氧化硅钝化层采用等离子增强化学气相沉积法PECVD生长，生长温度为200~300℃；二氧化硅钝化层的厚度为50~300 nm。
[0012]上述步骤（6）中，缓冲氧化刻蚀剂的成分为体积比为1:6的HF和NH4F的混合溶液，湿法腐蚀时间为1~3 min。
[0013]上述步骤（7）中，阳极金属采用高功函数金属，阳极金属的厚度为5~20 nm；优选的，阳极金属选自铂Pt、镍Ni或金Au中的一种或几种。
[0014]本专利技术进一步提供一种根据上述的制备方法制得的基于氮化镓异质结薄膜的双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓异质结薄膜的双极型光电二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）采用金属有机化学气相沉积法MOCVD在Si（111）衬底上依次外延生长Al
x
Ga1‑
x
N外延缓冲层，非掺杂GaN沟道层，非掺杂AlN插入层，非掺杂Al
y
Ga1‑
y
N势垒层，0.15≤y≤0.35，非掺杂GaN帽层和SiN介电层，得到氮化镓异质结外延片；（2）在步骤（1）所得的晶圆表面，通过紫外光刻定义出器件的工作区域，然后通过氯气Cl2感应耦合等离子体ICP对工作区域之外的区域进行干法刻蚀，实现单个器件的隔离；（3）对步骤（2）所得的晶圆进行去胶清洗，然后通过紫外光刻在器件工作区域定义出阴极电极区域，通过电子束蒸发设备沉积阴极金属，并对晶圆进行剥离清洗；（4）对步骤（3）所得的晶圆进行快速热退火处理形成阴极欧姆接触；（5）在步骤（4）所得的晶圆表面生长一层二氧化硅钝化层；（6）在步骤（5）所得的晶圆表面，通过紫外光刻定义出器件的阳极区域，并采用缓冲氧化刻蚀剂去除阳极区域的二氧化硅钝化层；（7）在步骤（6）所得的晶圆表面，通过电子束蒸发设备沉积阳极金属，并对晶圆进行剥离清洗，得到双极型光电二极管。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，Si（111）衬底为晶面高阻硅衬底；Al
x
Ga1‑
x
N外延缓冲层包括非掺杂AlN层，非掺杂Al
0.8
Ga
0.2
N层、非掺杂Al
0.6
Ga
0.4
N层、Al
0.4
Ga
0.6
N层和非掺杂Al
0.2
Ga
0.8
N层；其中，非掺杂AlN层的厚度为100
‑
200 nm，非掺杂Al
0.8
Ga
0.2
N层的厚度为200
‑
300 nm，非掺杂Al
0.6
Ga
0.4
N层的厚度为300
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500 nm，非掺杂Al
0.4
G...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红亮，陈丁波，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：