專利名稱：氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是指一種新型的氮化鎵(GaN)基紫外-紅外雙 色探測器及制作方法。
背景技術(shù)：
紫外-紅外雙色探測技術(shù)在諸如火災(zāi)、氣象、軍事探測等方面有著非常重要的應(yīng) 用價值。采用紫外-紅外雙色探測，可以大大提高探測目標(biāo)的識別概率?，F(xiàn)在，紫外-紅 外探測系統(tǒng)由于探測器或光學(xué)系統(tǒng)的限制，目前還無法實(shí)施紫外和紅外共用同一探測器探 測，所使用的紫外-紅外雙色探測系統(tǒng)大多采用紫外、紅外兩個單獨(dú)探測單元探測，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和信息處理非常復(fù)雜。若實(shí)現(xiàn)紫外、紅外共用同一個探測器進(jìn)行紫外-紅外雙色探測，不 僅可以使用一個光學(xué)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)應(yīng)用性能，而且可以大大提高探測效率。因此研究用同 一探測單元同時進(jìn)行紫外_紅外雙色探測是非常必要的。 作為第三代半導(dǎo)體，氮化鎵(GaN)及其系列材料(包括氮化鋁、氮化銦、鋁鎵氮、銦 鎵氮)以其光譜范圍寬(覆蓋了從紫外到紅外全波段)、耐高溫性和耐腐蝕性好，在光電子 學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)有巨大的應(yīng)用價值。GaN基材料為紫外-紅外雙色探測器件的研制提 供了很好的材料基礎(chǔ)，進(jìn)行GaN基紫外-紅外雙色探測器的研究，可以大大推動紫外_紅外 雙色探測技術(shù)的發(fā)展。 目前，國際上已研制出GaN/i_AlxGai—XN(0 < x《1)/GaN紫外-紅外探測器， 此結(jié)構(gòu)由于可以同時實(shí)現(xiàn)紅外和紫外的光探測，受到了人們的關(guān)注。原理如下N+-GaN/ i-AlxGai—XN (0 < x《1)之間的導(dǎo)帶帶階差在0-2eV范圍內(nèi)，正好處于紅外波段，即利 用N+-GaN/i-AlGaN HEIWIP效應(yīng)(導(dǎo)帶階差的內(nèi)光電子發(fā)射)可以實(shí)現(xiàn)紅外探測，利用 i-AlxGai—XN(0 < x《1)層本征吸收實(shí)現(xiàn)紫外探測。這樣用GaN基材料就可以同時實(shí)現(xiàn)紅 外和紫外雙色探測。但是由于GaN和i-AlxGai—XN(0 < x《1)存在較嚴(yán)重的晶格失配，不僅 材料生長過程中容易形成裂紋，而且光生載流子很容易在界面復(fù)合，從而降低了器件的外 量子效率，阻礙了器件的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器及制作方法，其可
消除晶格失配造成材料可能形成的裂紋和減小晶格失配導(dǎo)致的界面態(tài)對光生載流子復(fù)合
的影響，在不改變器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢的情況下，提高探測器的外量子效率。
本發(fā)明提供一種氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器，其中包括 —襯底； —?dú)W姆接觸層，該歐姆接觸層制作在襯底上； —紫外吸收層，該紫外吸收層制作在歐姆接觸層上的一側(cè)，該紫外吸收層的面積 小于歐姆接觸層的面積，在歐姆接觸層的另一側(cè)形成一臺面；
—紅外吸收層，該紅外吸收層制作在紫外吸收層上；
—第一歐姆電極，該第一歐姆電極制作在紅外吸收層上； —第二歐姆電極，該第二歐姆電極制作在歐姆接觸層上的臺面上。 其中所述的第二歐姆電極為點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。 其中所述的襯底為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。 其中歐姆接觸層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。 其中紫外吸收層為本征Al,IriyGa卜x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化
鎵層晶格的完全匹配，其中，O < x《l，O < y《1。 其中紅外吸收層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。 本發(fā)明還提供一種氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器的制作方法，包括如下步驟
步驟1 :在襯底上利用外延生長設(shè)備依次生長歐姆接觸層、紫外吸收層和紅外吸 收層； 步驟2 :將歐姆接觸層上的紫外吸收層和紅外吸收層的一側(cè)部分刻蝕，在該歐姆 接觸層上的一側(cè)形成臺面； 步驟3 :在紅外吸收層上制作第一歐姆電極； 步驟4 :在歐姆接觸層上的臺面上制作第二歐姆電極； 步驟5 :將襯底減薄至90-110 ii m ; 步驟6 :分割管芯，將分割后的管芯封裝在管殼上，完成氮化鎵基紫外_紅外雙色 探測器的制作。 其中所述的歐姆電極為點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。 其中所述的襯底為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。 其中歐姆接觸層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。 其中紫外吸收層為本征Al,IriyGa卜x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化
鎵層晶格的完全匹配，其中，O < x《l，O < y《1。 其中紅外吸收層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。 本發(fā)明與普通GaN基紫外-紅外探測器相比，可以避免晶格失配，消除了材料生長 過程中由于應(yīng)力可能形成的裂紋，而且明顯地降低界面態(tài)的影響，從而提高器件的外量子 效率。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中 圖1本發(fā)明中GaN基紫外_紅外雙色探測器的材料結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明中氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器的器件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是不同表面復(fù)合速率情況(分別為lX10,lX108、lX10Scm/s)下，器件量子
效率的模擬計算結(jié)果的比較。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種一種氮化鎵基紫外一紅外雙色探測器，其中包 括 —襯底10，該襯底10為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料；
4
—?dú)W姆接觸層ll，該歐姆接觸層11制作在襯底10上，該歐姆接觸層11為高電子 濃度的N型氮化鎵材料；利用MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)、MBE (分子束外延)或者 其他生長GaN材料的設(shè)備生長。 —紫外吸收層12，該紫外吸收層12制作在歐姆接觸層ll上的一側(cè)，該紫外吸收層 12的面積小于歐姆接觸層11的面積，在歐姆接觸層11的另一側(cè)形成一臺面ll';該紫外吸 收層12為本征Al,IriyGa卜x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化鎵層晶格的完全匹 配，其中，O < x《l，O < y《1 ;利用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)、MBE(分子束外 延)或者其他生長GaN材料的設(shè)備生長。 —紅外吸收層13，該紅外吸收層13制作在紫外吸收層12上，該紅外吸收層13為 高電子濃度的N型氮化鎵材料；利用MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)、MBE(分子束外延) 或者其他生長GaN材料的設(shè)備生長。 —第一歐姆電極20，該第一歐姆電極20制作在紅外吸收層13上；用干法刻蝕等 方法刻出臺階結(jié)構(gòu)，露出NLGaN層。然后用光刻、鍍膜等方法制作。 —第二歐姆電極21，該第二歐姆電極制作在歐姆接觸層11上的臺面11'上，該第 二歐姆電極21為點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。用干法刻蝕等方法刻出臺階結(jié)構(gòu)，露出^-6』層。然 后用光刻、鍍膜等方法等方法制作。 請再參閱圖1及圖2，本發(fā)明提供一種氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器的制作方 法，包括如下步驟 步驟1 :在襯底IO上利用外延生長設(shè)備依次生長歐姆接觸層11、紫外吸收層12和 紅外吸收層13，該襯底10為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料；所述的該紫外吸收 層12為本征AlxInyGai—x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化鎵層晶格的完全匹 配，其中，O < x《l，O < y《l，所述的該紅外吸收層13為高電子濃度的N型氮化鎵材料；
步驟2 :將歐姆接觸層11上的紫外吸收層12和紅外吸收層13的一側(cè)部分刻蝕， 在該歐姆接觸層11上的一側(cè)形成臺面11';
步驟3 :在紅外吸收層13上制作第一歐姆電極20 ; 步驟4 :在歐姆接觸層11上的臺面lr上制作第二歐姆電極21，該歐姆電極21為 點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)，該歐姆接觸層11為高電子濃度的N型氮化鎵材料；
步驟5 :將襯底10減薄至90-110 iim; 步驟6 :分割管芯，將分割后的管芯封裝在管殼上，完成氮化鎵基紫外_紅外雙色 探測器的制作。 本發(fā)明提出的新型氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器的器件制備過程為在硅、藍(lán) 寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料為襯底10，利用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)、 MBE (分子束外延)或者其他生長GaN材料的設(shè)備生長出器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括N+_GaN層 11、紫外吸收i-AlJnyG^x—yN(0 〈x《l，0〈y《l)層12和紅外吸收的N+_GaN層13。用 干法刻蝕等方法刻出臺階結(jié)構(gòu)，露出NLGaN層。然后用光刻、鍍膜等方法先后作出歐姆接 觸20、21。最后再進(jìn)行減薄、分割、壓焊、封裝成紫外-紅外探測器器件。
為了進(jìn)一步說明本器件結(jié)構(gòu)的效果，我們以紫外響應(yīng)截止波長為300nm，紅外響 應(yīng)截止波長為14ym的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器為例說明該器件結(jié)構(gòu)的制備過 程，具體如下利用MOCVD設(shè)備以藍(lán)寶石為襯底10生長出器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括NtGaN層
511 (厚度為3 ii m、電子濃度為5X 1018cm3) 、 i-Al。.5In。.45Ga。.。5N層12 (厚度為0. 3 y m、電子 濃度為5X1015cm3)和N+_GaN層(厚度為50nm、電子濃度為5X 1018cm3)。管芯尺寸為 300iimX300iim。用干法刻蝕等方法刻出臺階結(jié)構(gòu)，露出N+_GaN層。然后用光刻、鍍膜等 方法先后作出歐姆接觸(Ti/Al/Ti/Au電極)20、21。最后再進(jìn)行減薄、切割、壓焊、封裝成紫 外探測器器件樣品。 我們對界面態(tài)與氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器量子效率的關(guān)系進(jìn)行了模擬計 算，如圖3所示，可以看出，界面復(fù)合速率對器件的量子效應(yīng)有明顯影響，復(fù)合速率越高，量 子效率越低。而本發(fā)明提出的采用AlxInyGai—x—yN層做紫外吸收區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)晶格匹配，也能 夠有效地降低界面復(fù)合速率，從而提高器件的外量子效率。 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器，其中包括一襯底；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層制作在襯底上；一紫外吸收層，該紫外吸收層制作在歐姆接觸層上的一側(cè)，該紫外吸收層的面積小于歐姆接觸層的面積，在歐姆接觸層的另一側(cè)形成一臺面；一紅外吸收層，該紅外吸收層制作在紫外吸收層上；一第一歐姆電極，該第一歐姆電極制作在紅外吸收層上；一第二歐姆電極，該第二歐姆電極制作在歐姆接觸層上的臺面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器，其中所述的第二歐姆電極 為點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器，其中所述的襯底為硅、藍(lán)寶 石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器，其中歐姆接觸層為高電子 濃度的N型氮化鎵材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器，其中紫外吸收層為本 征AlxInyGai—x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化鎵層晶格的完全匹配，其中，0 < x《l，O < y《1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器，其中紅外吸收層為高電子 濃度的N型氮化鎵材料。
7. —種氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器的制作方法，包括如下步驟步驟1 :在襯底上利用外延生長設(shè)備依次生長歐姆接觸層、紫外吸收層和紅外吸收層； 步驟2 :將歐姆接觸層上的紫外吸收層和紅外吸收層的一側(cè)部分刻蝕，在該歐姆接觸 層上的一側(cè)形成臺面；步驟3 :在紅外吸收層上制作第一歐姆電極；步驟4 :在歐姆接觸層上的臺面上制作第二歐姆電極；步驟5 :將襯底減薄至90-110 il m ;步驟6 :分割管芯，將分割后的管芯封裝在管殼上，完成氮化鎵基紫外_紅外雙色探測 器的制作。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器的制作方法，其中所述的歐姆電極為點(diǎn)結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器的制作方法，其中所述的襯 底為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、砷化鎵或碳化硅材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器的制作方法，其中歐姆接觸 層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器的制作方法，其中紫外吸收 層為本征Al,IriyGa卜x—yN材料，通過調(diào)節(jié)鋁銦鎵的濃度實(shí)現(xiàn)其與氮化鎵層晶格的完全匹配， 其中，O < x《l，O < y《1。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化鎵基紫外_紅外雙色探測器的制作方法，其中紅外吸收 層為高電子濃度的N型氮化鎵材料。
全文摘要
一種氮化鎵基紫外-紅外雙色探測器，其中包括一襯底；一歐姆接觸層，該歐姆接觸層制作在襯底上；一紫外吸收層，該紫外吸收層制作在歐姆接觸層上的一側(cè)，該紫外吸收層的面積小于歐姆接觸層的面積，在歐姆接觸層的另一側(cè)形成一臺面；一紅外吸收層，該紅外吸收層制作在紫外吸收層上；一第一歐姆電極，該第一歐姆電極制作在紅外吸收層上；一第二歐姆電極，該第二歐姆電極制作在歐姆接觸層上的臺面上。
文檔編號H01L31/101GK101777600SQ20101003428
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者趙德剛, 鄧懿 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所