專利名稱：一種紫外紅外雙色探測器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種紫外紅外雙色探測器及制 作方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外研制的雙色或多色半導(dǎo)體探測器響應(yīng)波長大多數(shù)分布在近、中、遠(yuǎn)紅外范 圍。受半導(dǎo)體材料體系自身性質(zhì)的限制，這些探測器無法同時(shí)探測紫外波段的輻射。氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)是直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度分別為3. 4eV、 6. 2eV左右。AlGaN合金材料的禁帶寬度隨著Al組分的增加而增加，對(duì)應(yīng)的吸收峰分布在 紫外光范圍。利用 n+-GaN/i-Al (In)GaN 或 n+-AlyGai_yN/i-AlxGai_xN(X > y)異質(zhì)結(jié)界面功 函數(shù)內(nèi)光電子發(fā)射效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)紅外探測。所以，GaN基材料(包括GaN、AlGaN、AlInGaN) 為紫外紅外多色探測器件的制備提供了很好的材料基礎(chǔ)。異質(zhì)結(jié)界面功函數(shù)內(nèi)光電子發(fā)射紅外探測(heterojunction interfacialworkfunction internal photoemission, HEIWIP)就是利用高摻雜層禾口非摻 雜層(高摻雜層的禁帶寬度小于非摻雜層)異質(zhì)結(jié)界面上的功函數(shù)差異通過內(nèi)光電子發(fā)射 實(shí)現(xiàn)紅外探測，基本過程包括高摻雜層吸收紅外光激發(fā)自由載流子，然后自由載流子穿越 異質(zhì)結(jié)界面、被加在本征層的電場收集產(chǎn)生電信號(hào)達(dá)到光探測目的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種紫外紅外雙色探測器及制作方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種紫外紅外雙色探測器，包括一襯底，在該襯底上進(jìn)行紫外紅外雙色探測器用材料結(jié)構(gòu)的生長；一緩沖層，生長在襯底之上；一第一 η型歐姆接觸層，生長在緩沖層之上，用于歐姆接觸；由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sη型層構(gòu)成的多周期層，其中，第一本征 層生長在第一 η型歐姆接觸層上，禁帶寬度為Eg1,且為非故意摻雜；重?fù)诫sη型層生長在第 一本征層上，禁帶寬度為Eg2,且< Eg1 ；一第二 η型歐姆接觸層，生長在多周期層之上，部分區(qū)域作為η型歐姆接觸電極 用；一禁帶寬度為Eg3的本征層，生長在第二 η型歐姆接觸層之上，且Eg3 ( Eg2 ；一透明電極，形成于禁帶寬度為Eg3的本征層之上；一上電極，形成于透明電極上一小區(qū)域；一中電極，形成于第二 η型歐姆接觸層的電極窗口 ；以及
一下電極，形成于第一 η型歐姆接觸層的電極窗口。
上述方案中，所述襯底為藍(lán)寶石(Al2O3)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)和氮化鋁 (AlN)等晶體材料中的一種，厚度在80微米至500微米之間。上述方案中，所述緩沖層生長在襯底上，采用的材料是氮化鋁和氮化鎵、鋁鎵氮 (AlGaN)、鋁銦鎵氮(AlInGaN)中的一種，厚度0. 02微米至0. 1微米。上述方案中，所述第一 η型歐姆接觸層生長在緩沖層上，采用的材料是GaN或 AlGaN, Al InGaN, AlN,厚度在1. 5微米至5微米之間，摻雜濃度η在5 X IO17至5 X IO1W3, 摻入的雜質(zhì)為Si。上述方案中，所述禁帶為Egl的第一本征層生長在第一 η型歐姆接觸層上，材料為 非故意摻雜的AlxGa1J或AlInGaN,電子載流子濃度為5 X IO15至5X 1017cm_3，厚度為0. 02 至0.4微米。上述方案中，所述禁帶寬度為Eg2的重?fù)诫sη型層生長在禁帶寬度為Egl的第 一本征層上，采用的材料為AlyGai_yN(y < χ)或AlInGaN，η型摻雜濃度濃度為5Χ1017至 5 X 1019cnT3，厚度為 0. 02 至 0. 4 μ m 微米。上述方案中，所述由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sη型層構(gòu)成的多周期層 為紅外敏感區(qū)，其周期數(shù)為m，m在1 50之間。上述方案中，所述第二 η型歐姆接觸層是生長在紅外敏感區(qū)的多周期頂層上，部 分區(qū)域?qū)⒆鳛棣切蜌W姆接觸電極用，采用的材料為AlGaN或AlInGaN，η型摻雜濃度濃度為 5 X IO17至5 X IO1W3,厚度在0. 1至0. 6 μ m微米之間。上述方案中，所述禁帶寬度為Eg3本征層生長在第二 η型歐姆接觸層上，采用的 材料為GaN、AlGaN或AlInGaN，電子載流子濃度η為5 X IO15至SXlO1W,厚度在0. 2至 0. 6 μ m微米之間。上述方案中，當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層 上淀積薄層金屬形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；當(dāng)紫 外探測部分采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 ρ型層，在ρ型層上淀 積薄層金屬形成透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)。上述方案中，當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層 上淀積的薄層金屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍 500°C下退火1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感 區(qū)；當(dāng)紫外探測部分采用P-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一ρ型層，材料是 GaN 或 AlGaN、AlInGaN，厚度 0. 01 0. 2 微米，ρ 型摻雜濃度在 5 X IO16 5 X IO19CnT3 ；在 ρ 型層上淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混 合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成ρ型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征 層為紫外敏感區(qū)。上述方案中，所述上電極、中電極和下電極構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)，紫外探測用上電極與 中電極，紅外探測用中電極與下電極。上述方案中，所述紅外探測用的下電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第一 η型歐姆接觸 層上，紅外探測和紫外探測共用的中電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第二 η型歐姆接觸層上， 兩電極的材料依次為Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為10 20nm、150 250nm、30 80nm、150 500nm;紫外探測用的上電極制作在透明電極上的一小區(qū)域，電極材料依次為Ni/Au/Ti/ Au，厚度分別為 5 20nm、5 250nm、30 80nm、150 500nm。上述方案中，該探測器用于同時(shí)探測紫外紅外輻射，探測紫外輻射的長波限由紫 外敏感區(qū)的肖特基勢壘結(jié)構(gòu)或p-i-n結(jié)構(gòu)中的本征層的禁帶寬度Eg3確定；探測紅外輻射 的長波限由禁帶寬度為Eg1的第一本征層與禁帶寬度為Eg2重?fù)诫sη型層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界 面上的功函數(shù)差異ΔΙΚ確定，且<Egl。一種紫外紅外雙色探測器的制作方法，包括在襯底上生長一緩沖層； 在緩沖層上生長一第一 η型歐姆接觸層，用于歐姆接觸；在第一 η型歐姆接觸層上相互交替生長第一本征層與重?fù)诫sη型層，形成多周期 頂層；在多周期頂層生長第二 η型歐姆接觸層，部分區(qū)域作為η型歐姆接觸電極用；在第二 η型歐姆接觸層上生長一禁帶寬度為Eg3 (Eg3 ( Eg2 < Eg1)的本征層；在禁帶寬度為Eg3的本征層上形成透明電極；在透明電極上制作探測器上電極； 在第二 η型歐姆接觸層的電極窗口形成中電極；以及在第一 η型歐姆接觸層的電極窗口形成下電極。上述方案中，所述由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sη型層構(gòu)成的多周期層 為紅外敏感區(qū)，其周期數(shù)為m，m在1 50之間。上述方案中，所述在禁帶寬度為Eg3的本征層上形成透明電極包括當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積的薄 層金屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍500°C下退火 1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；或當(dāng)紫外探測部分采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 ρ型層， 材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0. 01 0. 2微米，ρ型摻雜濃度在5 X IO16 5 X IO19CnT3 ； 在P型層上淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮 氧混合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成ρ型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的 本征層為紫外敏感區(qū)。上述方案中，所述上電極、中電極和下電極構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)，紫外探測用上電極與 中電極，紅外探測用中電極與下電極；所述紅外探測用的下電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第 一 η型歐姆接觸層上，紅外探測和紫外探測共用的中電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第二 η型 歐姆接觸層上，兩電極的材料依次為Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為10 20nm、150 250nm、 30 80nm、150 500nm ；紫外探測用的上電極制作在透明電極上的一小區(qū)域，電極材料依 次為 Ni/Au/Ti/Au，厚度分別為 5 20nm、5 250nm、30 80nm、150 500nm。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的GaN基紫外紅外雙色探測器，紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu) 或Pin結(jié)構(gòu)，由于紅外輻射在GaN基材料中的穿透深度比紫外要大得多，本征GaN基材料 的紅外吸收系數(shù)也比重?fù)诫s相應(yīng)材料的小，紅外探測采用在紫外吸收區(qū)下方的、多周期的!!+-GaN/i-AlGaN或n+-AlyGai_yN/i-AlxGai_xN(X > y)作為紅外敏感區(qū)，采用多周期結(jié)構(gòu)后充 分利用HEIWIP效應(yīng)，提高紅外響應(yīng)。2、本發(fā)明提供的GaN基紫外紅外雙色探測器，采用三電極結(jié)構(gòu)，即三電極結(jié)構(gòu)中 的中電極作為紫夕卜、紅外探測的公用電極，上電極和下電極分別作紫夕卜、紅外探測的另一電 極，實(shí)現(xiàn)同時(shí)探測紫外、紅外輻射。
3、本發(fā)明提供的GaN基紫外紅外雙色探測器，紫外探測區(qū)域采用肖特基勢壘或 Pin結(jié)構(gòu)，耗盡區(qū)較寬；肖特基勢壘結(jié)構(gòu)中采用厚度為4 IOnm左右的Ni/Au或Pt/Au做 透明電極，對(duì)紫外輻射吸收很?。籶-i-n結(jié)構(gòu)中頂層ρ型層可采用比i層禁帶寬度大的薄層 AlGaN合金材料，對(duì)i層材料吸收處于二者禁帶寬度之間的紫外輻射來說是一透明窗口 ；紫 外峰值響應(yīng)度在器件無偏壓條件下達(dá)到百毫安級(jí)/瓦。4、本發(fā)明提供的GaN基紫外紅外雙色探測器，可以不用對(duì)紫外敏感區(qū)外加偏壓， 依靠器件本身的耗盡區(qū)電場可以實(shí)現(xiàn)紫外探測，即紫外探測部分由于采用肖特基勢壘或 Pin結(jié)構(gòu)，不需要外加偏壓而達(dá)到探測紫外輻射的目的，可以避免GaN基材料光電導(dǎo)的影 響。5、本發(fā)明提供的GaN基紫外紅外雙色探測器，同時(shí)紫外探測部分采用肖特基勢壘 或Pin結(jié)構(gòu)，探測紫外部分具有暗電流小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于GaN、AlGaN材料對(duì)禁帶 寬度以上的紫外輻射的吸收系數(shù)大，達(dá)到105/cm數(shù)量級(jí)，紫外敏感區(qū)中的本征GaN或AlGaN 對(duì)紅外敏感區(qū)的材料來說是紫外濾波器，從而大大減少紫外輻射對(duì)紅外敏感區(qū)的影響。


圖1是本發(fā)明紫外紅外雙色探測器肖特基勢壘-HEIWIP結(jié)構(gòu)實(shí)施例圖；圖2是本發(fā)明紫外紅外雙色探測器p-i-n-HEIWIP結(jié)構(gòu)實(shí)施例圖；圖3是本發(fā)明紫外紅外雙色探測器肖特基勢壘-HEIWIP器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明紫外紅外雙色探測器p-i-n-HEIWIP器件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1、圖2所示，為本發(fā)明的紫外紅外探測器兩種材料結(jié)構(gòu)示意圖。在紫外紅外 雙色探測器結(jié)構(gòu)中，紫外探測區(qū)域采用肖特基勢壘或Pin結(jié)構(gòu)，放在器件的頂部，紅外探測 采用多周期的n+-GaN/i-AlGaN或n+AlyGai_yN/i-AlxGai_xN(y < χ)作為紅外敏感區(qū)，充分利 用HEIWIP效應(yīng)，提高紅外響應(yīng)。紅外敏感區(qū)在器件紫外探測區(qū)域的下面，兩者之間通過第 二 η歐姆接觸層(η型濃度5 X IO1W3 5 X IO19cnT3)連接。本發(fā)明提供的紫外紅外雙色探測器采用三電極結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示，包括一襯底，在該襯底上進(jìn)行紫外紅外雙色探測器用材料結(jié)構(gòu)的生長；一緩沖層，生長在襯底之上；一第一 η型歐姆接觸層，生長在緩沖層之上，用于歐姆接觸；由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sη型層構(gòu)成的多周期層，其中，第一本征 層生長在第一 η型歐姆接觸層上，禁帶寬度為Eg1,且為非故意摻雜；重?fù)诫sη型層生長在第一本征層上，禁帶寬度為Eg2,且< Eg1 ；一第二 η型歐姆接觸層，生長在多周期層之上，部分區(qū)域作為η型歐姆接觸電極 用；一禁帶寬度為Eg3的本征層，生長在第二 η型歐姆接觸層之上，且Eg3 ( Eg2 ；一透明電極，形成于禁帶寬度為Eg3的本征層之上；
一上電極，形成于透明電極上一小區(qū)域；一中電極，形成于第二 η型歐姆接觸層的電極窗口 ；以及
一下電極，形成于第一 η型歐姆接觸層的電極窗口。其中，襯底為藍(lán)寶石、氮化鎵、碳化硅和氮化鋁中的一種，厚度在80微米至500微 米之間。緩沖層生長在襯底上，采用的材料是氮化鋁和氮化鎵、鋁鎵氮、鋁銦鎵氮中的一種， 厚度0. 02微米至0. 1微米。第一 η型歐姆接觸層生長在緩沖層上，采用的材料是GaN或 AlGaN, Al InGaN, AlN,厚度在1. 5微米至5微米之間，摻雜濃度η在5 X IO17至5 X IO1W3, 摻入的雜質(zhì)為si。禁帶為Eg1的第一本征層生長在第一 η型歐姆接觸層上，材料為非故意 摻雜的AlxGai_xN或AlInGaN,電子載流子濃度為5 X IO15至5 X 1017Cm_3，厚度為0. 02至0. 4 微米。禁帶寬度為Eg2的重?fù)诫sη型層生長在禁帶寬度為Egl的第一本征層上，采用的材 料為AlyGa1J或AlInGaN，y < χ, η型摻雜濃度濃度為5X IO17至5Χ 1019cnT3，厚度為0. 02 至0. 4 μ m微米。由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sη型層構(gòu)成的多周期層為紅外敏 感區(qū)，其周期數(shù)為m，m在1 50之間。第二 η型歐姆接觸層是生長在紅外敏感區(qū)的多周期 頂層上，部分區(qū)域?qū)⒆鳛棣切蜌W姆接觸電極用，采用的材料為AlGaN或AlInGaN, η型摻雜濃 度濃度為5Χ1017至5X1019cm_3，厚度在0. 1至0.6μπι微米之間。禁帶寬度為Eg3本征層 生長在第二 η型歐姆接觸層上，采用的材料為GaN、AlGaN或AlInGaN,電子載流子濃度η為 5 X IO15至5 X IO1W,厚度在0. 2至0. 6 μ m微米之間。當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積薄層 金屬形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；當(dāng)紫外探測部分 采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 ρ型層，在ρ型層上淀積薄層金屬 形成透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)。當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積的薄 層金屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍500°C下退 火1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；當(dāng)紫 外探測部分采用P-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 ρ型層，材料是GaN或 AlGaN、AlInGaN，厚度0. 01 0. 2微米，ρ型摻雜濃度在5 X IO16 5 X IO19CnT3 ；在ρ型層上 淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體 氛圍500°C下退火1 5分鐘形成ρ型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫 外敏感區(qū)。上電極、中電極和下電極構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)，紫外探測用上電極與中電極，紅外探測 用中電極與下電極。紅外探測用的下電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第一η型歐姆接觸層上， 紅外探測和紫外探測共用的中電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第二 η型歐姆接觸層上，兩電極 的材料依次為Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為10 20nm、150 250nm、30 80nm、150 500nm ； 紫外探測用的上電極制作在透明電極上的一小區(qū)域，電極材料依次為M/Au/Ti/Au，厚度分別為 5 20nm、5 250nm、30 80nm、150 500nm。
該探測器用于同時(shí)探測紫外紅外輻射，探測紫外輻射的長波限由紫外敏感區(qū)的肖 特基勢壘結(jié)構(gòu)或p-i-n結(jié)構(gòu)中的本征層的禁帶寬度Eg3確定；探測紅外輻射的長波限由禁 帶寬度為Eg1的第一本征層與禁帶寬度為Eg2重?fù)诫sη型層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面上的功函數(shù) 差異ΔΙΚ確定，且Eg2 <Egl。基于圖3和圖4示出的紫外紅外雙色探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明還提供了一種 紫外紅外雙色探測器的制作方法，包括以下步驟步驟1 在襯底上生長一緩沖層；步驟2 在緩沖層上生長一第一 η型歐姆接觸層，用于歐姆接觸；步驟3 在第一 η型歐姆接觸層上相互交替生長第一本征層與重?fù)诫sη型層，形成 多周期頂層；步驟4 在多周期頂層生長第二 η型歐姆接觸層，部分區(qū)域作為η型歐姆接觸電極 用；步驟5 在第二 η型歐姆接觸層上生長一禁帶寬度為Eg3的本征層，Eg3 ( Eg2 < Eg1 ；步驟6 在禁帶寬度為Eg3的本征層上形成透明電極；當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積的薄 層金屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍500°C下退 火1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；或當(dāng)紫 外探測部分采用P-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 ρ型層，材料是GaN或 AlGaN、AlInGaN，厚度0. 01 0. 2微米，ρ型摻雜濃度在5 X IO16 5 X IO19CnT3 ；在ρ型層上 淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體 氛圍500°C下退火1 5分鐘形成ρ型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫 外敏感區(qū)；步驟7 在透明電極上制作探測器上電極；步驟8 在第二 η型歐姆接觸層的電極窗口形成中電極；以及步驟9 在第一 η型歐姆接觸層的電極窗口形成下電極。實(shí)施例下面以紅外紫外雙色探測器采用肖特基勢壘-HEIWIP結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶 石襯底10上利用MOCVD或MBE設(shè)備依次生長AlN或GaN —薄層緩沖層11，厚度在0. 02 0. Iym,在緩沖層11生長第一 η型歐姆接觸層12 :n+_AlGaN或GaN，厚度在1. 5 5. 0 μ m， 摻雜濃度η在5X IO17CnT3 5X IO19CnT3范圍。在第一 η型歐姆接觸層12上依次生長本 征層 13/ 重?fù)诫s層 14 :i-AlGaN/n+-GaN 或 I-AlxGahNAi+-AlyGahyN (x > y)，交替生長本征 層13/重?fù)诫s層14形成多周期結(jié)構(gòu)15，其中，i-AlGaN或i-AlxGai_xN的電子載流子濃度 為 5 X IO14 5X 1017cm_3，厚度為 0. 02 0. 4 μ m 微米；n+_GaN 或 Ii+-AlyGapyN 的濃度 η 在 5 X 1017cm_3 5 X 1019cm_3 范圍，厚度在厚度為 0. 02 0. 3 μ m 微米。在 i_AlGaN/n+-GaN 或 i-AlxGai_xN/n+-AlyGai_yN(X > y)多周期結(jié)構(gòu)15的頂層上生長第二 η歐姆接觸層16 =Ii+-GaN 或 Ii+-AlyGanN, η 在 5Χ IO17CnT3 5Χ IO19CnT3 范圍，厚度在 0. 1 0. 5μπι微米范圍。在 第二 η型歐姆接觸層16上生長i-GaN或i_AlzGai_zN非故意摻雜層17，電子載流子濃度為5 X IO14 5 X IO17Cm-3,厚度在0. 2 0. 6 μ m微米之間。當(dāng)紫外探測采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)， 外延生長結(jié)束。當(dāng)紫外探測采用Pin結(jié)構(gòu)時(shí)，在圖2的基礎(chǔ)上，接著在非故意摻雜層17生 長一層薄層18 :p_GaN或p-AlGaN，空穴濃度為1 X IO15 5X IO19CnT3范圍，厚度在0.01 0.2μπι微米之間。P-i-n-HEIWIP結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件結(jié)構(gòu)分別如圖3、圖4所示，其具體 制作方法包括以下步驟步驟101 經(jīng)第一次光刻工藝和干法刻蝕露出部分第二 η型歐姆接觸層16 ；再經(jīng) 過第二次光刻工藝和干法刻蝕露出部分第一 η型歐姆接觸層12，以便在其上做歐姆接觸電 極。步驟102 經(jīng)第三次光刻工藝形成透明金屬窗口，用電子束鍍膜設(shè)備或?yàn)R射設(shè)備 依次淀積薄層金屬Ni/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，經(jīng)退火后形成透明電極19。步驟103 經(jīng)第四次光刻工藝形成透明電極窗口，用電子束鍍膜設(shè)備或?yàn)R射設(shè)備 依次淀積金屬Ni/Au/Ti/Au，厚度分別為10 20nm、150 250nm、30 60nm、150 500nm， 形成雙色探測器的上電極20。
步驟104 經(jīng)第五次光刻工藝形成第一、第二重?fù)诫sη型歐姆接觸層窗口，用電子 束鍍膜設(shè)備或?yàn)R射設(shè)備依次淀積金屬Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為10 20nm、150 250nm、 30 60nm、150 500nm，形成雙色探測器的中電極21、下電極22。本發(fā)明的紫外紅外探測器可以探測紫外紅外輻射，探測紫外輻射的長波限由紫外 探測區(qū)的肖特基勢壘結(jié)構(gòu)或Pin結(jié)構(gòu)中的本征層的禁帶寬度Eg3確定；探測紅外輻射的長 波限由禁帶寬度為Eg1的第一本征層與禁帶寬度為Eg2 < Eg1)重?fù)诫sη型層構(gòu)成的異 質(zhì)結(jié)界面上的功函數(shù)差ΔΙΚ確定。本發(fā)明的GaN基紫外紅外雙色探測器中，紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)或 Pin結(jié)構(gòu)當(dāng)采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)為透明金屬電極/本征GaN或者透明金屬電極/本 征 AlGaN ；當(dāng)采用 p-i-n 結(jié)構(gòu)時(shí)為 p-(Al) GaN/i-GaN/n-GaN 或者 p-AlGaN/i-AlyGai_yN/ Ii+-AlyGa1^yN0紫外吸收區(qū)在器件的頂部。由于紅外輻射在GaN基材料中的穿透深度比紫 外要大得多，本征GaN基材料的紅外吸收系數(shù)也比重?fù)诫s相應(yīng)材料的小，紅外探測采用在 紫外吸收區(qū)下方的、多周期的n+-GaN/i-AlGaN或n+-AlyGai_yN/i-AlxGai_xN(X > y)作為紅 外敏感區(qū)，采用多周期結(jié)構(gòu)后充分利用HEIWIP效應(yīng)，提高紅外響應(yīng)。！!+-GaN/i-AlGaN或 η-AlyGa1^WI-Alfia1^ix > y) HEIffIP紅外探測器利用高摻雜的n+_GaN與i-AlGaN或高 摻雜的n+-AlyGai_yN與i-AlxGai_xN構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面上的功函數(shù)差Δ IE eV,通過高摻雜的 GaN或AlyGai_yN區(qū)吸收紅外輻射(λ彡1.24/ΔΙΕ μ m)實(shí)現(xiàn)內(nèi)光電子發(fā)射后穿越異質(zhì)結(jié) 界面、被加在本征層AlGaN或i-AlxGai_xN的電場收集產(chǎn)生電信號(hào)而達(dá)到紅外探測。在本發(fā) 明的GaN基紫外紅外雙色探測器中，采用三電極結(jié)構(gòu)，即三電極結(jié)構(gòu)中的中電極作為紫外、 紅外探測的公用電極，上電極和下電極分別作紫外、紅外探測的另一電極，實(shí)現(xiàn)同時(shí)探測紫 夕卜、紅外輻射。本發(fā)明的GaN基紫外紅外雙色探測器中，紫外探測區(qū)域采用肖特基勢壘或pin結(jié) 構(gòu)，耗盡區(qū)較寬；肖特基勢壘結(jié)構(gòu)中采用厚度為4 IOnm左右的Ni/Au或Pt/Au做透明電 極，對(duì)紫外輻射吸收很??；P-i-n結(jié)構(gòu)中頂層ρ型層可采用比i層禁帶寬度大的薄層AlGaN 合金材料，對(duì)i層材料吸收處于二者禁帶寬度之間的紫外輻射來說是一透明窗口 ；紫外峰 值響應(yīng)度在器件無偏壓條件下達(dá)到百毫安級(jí)/瓦。所發(fā)明的GaN基紫外紅外雙色探測器，可以不用對(duì)紫外敏感區(qū)外加偏壓，依靠器件本身的耗盡區(qū)電場可以實(shí)現(xiàn)紫外探測，即紫外 探測部分由于采用肖特基勢壘或Pin結(jié)構(gòu)，不需要外加偏壓而達(dá)到探測紫外輻射的目的， 可以避免GaN基材料光電導(dǎo)的影響；同時(shí)紫外探測部分采用肖特基勢壘或pin結(jié)構(gòu)，探測紫 外部分具有暗電流小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。由于GaN、AlGaN材料對(duì)禁帶寬度以上的紫外輻 射的吸收系數(shù)大，達(dá)到105/cm數(shù)量級(jí)，紫外敏感區(qū)中的本征GaN或AlGaN對(duì)紅外敏感區(qū)的 材料來說是紫外濾波器，從而大大減少紫外輻射對(duì)紅外敏感區(qū)的影響。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì) 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
一種紫外紅外雙色探測器，其特征在于，包括一襯底，在該襯底上進(jìn)行紫外紅外雙色探測器用材料結(jié)構(gòu)的生長；一緩沖層，生長在襯底之上；一第一n型歐姆接觸層，生長在緩沖層之上，用于歐姆接觸；由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sn型層構(gòu)成的多周期層，其中，第一本征層生長在第一n型歐姆接觸層上，禁帶寬度為Eg1，且為非故意摻雜；重?fù)诫sn型層生長在第一本征層上，禁帶寬度為Eg2，且Eg2＜Eg1；一第二n型歐姆接觸層，生長在多周期層之上，部分區(qū)域作為n型歐姆接觸電極用；一禁帶寬度為Eg3的本征層，生長在第二n型歐姆接觸層之上，且Eg3≤Eg2；一透明電極，形成于禁帶寬度為Eg3的本征層之上；一上電極，形成于透明電極上一小區(qū)域；一中電極，形成于第二n型歐姆接觸層的電極窗口；以及一下電極，形成于第一n型歐姆接觸層的電極窗口。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、氮化鎵、 碳化硅和氮化鋁中的一種，厚度在80微米至500微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述緩沖層生長在襯底上，采 用的材料是氮化鋁和氮化鎵、鋁鎵氮、鋁銦鎵氮中的一種，厚度0. 02微米至0. 1微米。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述第一n型歐姆接觸層生長 在緩沖層上，采用的材料是GaN或AlGaN、AlInGaN、A1N，厚度在1. 5微米至5微米之間，摻 雜濃度n在5 X 1017至5 X 1019Cm_3，摻入的雜質(zhì)為si。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述禁帶為Egl的第一本征層 生長在第一 n型歐姆接觸層上，材料為非故意摻雜的AlxGai_xN或AlInGaN，電子載流子濃度 為 5X1015 至 5X 1017Cm_3，厚度為 0. 02 至 0. 4 微米。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述禁帶寬度為Eg2的重?fù)诫s n型層生長在禁帶寬度為Egl的第一本征層上，采用的材料為AlyGai_yN或AlInGaN，y < x, n型摻雜濃度濃度為5 X 1017至5 X 1019Cm_3，厚度為0. 02至0. 4 y m微米。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述由相互交替生長的第一 本征層與重?fù)诫sn型層構(gòu)成的多周期層為紅外敏感區(qū)，其周期數(shù)為m，m在1 50之間。
8 根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述第二n型歐姆接觸層是 生長在紅外敏感區(qū)的多周期頂層上，部分區(qū)域?qū)⒆鳛閚型歐姆接觸電極用，采用的材料為 AlGaN或AlInGaN，n型摻雜濃度濃度為5 X 1017至5 X 1019cnT3，厚度在0. 1至0. 6 y m微米 之間。
9.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述禁帶寬度為Eg3本征層 生長在第二 n型歐姆接觸層上，采用的材料為GaN、AlGaN或AlInGaN，電子載流子濃度n為 5 X 1015至5 X 1017cnT3，厚度在0. 2至0. 6 y m微米之間。
10.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積薄層金屬 形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；當(dāng)紫外探測部分采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 p型層，在p型層上淀積薄層金屬形成透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利10所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積的薄層金 屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；當(dāng)紫外探測部分采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 p型層，材料 是GaN或AlGaN、AlInGaN,厚度0. 01 0. 2微米，p型摻雜濃度在5 X 1016 5 X 1019cnT3 ；在 P型層上淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧 混合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成p型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本 征層為紫外敏感區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述上電極、中電極和下電 極構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)，紫外探測用上電極與中電極，紅外探測用中電極與下電極。
13.根據(jù)權(quán)利12所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，所述紅外探測用的下電極 制作在經(jīng)刻蝕后露出的第一 n型歐姆接觸層上，紅外探測和紫外探測共用的中電極制作在 經(jīng)刻蝕后露出的第二 n型歐姆接觸層上，兩電極的材料依次為Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為 10 20nm、150 250nm、30 80nm、150 500nm ；紫外探測用的上電極制作在透明電極上 的一小區(qū)域，電極材料依次為Ni/Au/Ti/Au，厚度分別為5 20nm、5 250nm、30 80nm、 150 500nm。
14.根據(jù)權(quán)利1所述的紫外紅外雙色探測器，其特征在于，該探測器用于同時(shí)探測紫外 紅外輻射，探測紫外輻射的長波限由紫外敏感區(qū)的肖特基勢壘結(jié)構(gòu)或P-i-n結(jié)構(gòu)中的本征 層的禁帶寬度￡而確定；探測紅外輻射的長波限由禁帶寬度為Egl的第一本征層與禁帶寬度 為重?fù)诫sn型層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)界面上的功函數(shù)差異A IE確定，且< Egl。
15.一種紫外紅外雙色探測器的制作方法，其特征在于，包括 在襯底上生長一緩沖層；在緩沖層上生長一第一 n型歐姆接觸層，用于歐姆接觸；在第一 n型歐姆接觸層上相互交替生長第一本征層與重?fù)诫sn型層，形成多周期頂層；在多周期頂層生長第二 n型歐姆接觸層，部分區(qū)域作為n型歐姆接觸電極用；在第二 n型歐姆接觸層上生長一禁帶寬度為Eg3的本征層，Eg3 ^ Eg2 < Egl ；在禁帶寬度為Eg3的本征層上形成透明電極；在透明電極上制作探測器上電極；在第二 n型歐姆接觸層的電極窗口形成中電極；以及在第一 n型歐姆接觸層的電極窗口形成下電極。
16.根據(jù)權(quán)利15所述的紫外紅外雙色探測器的制作方法，其特征在于，所述由相互交 替生長的第一本征層與重?fù)诫sn型層構(gòu)成的多周期層為紅外敏感區(qū)，其周期數(shù)為m，m在 1 50之間。
17.根據(jù)權(quán)利15所述的紫外紅外雙色探測器的制作方法，其特征在于，所述在禁帶寬 度為Eg3的本征層上形成透明電極包括當(dāng)紫外探測部分采用肖特基勢壘結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上淀積的薄層金屬是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧混合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成肖特基勢壘和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本征層為紫外敏感區(qū)；或當(dāng)紫外探測部分采用p-i-n結(jié)構(gòu)時(shí)，在禁帶寬度為Eg3的本征層上生長一 p型層，材料 是GaN或AlGaN、AlInGaN,厚度0. 01 0. 2微米，p型摻雜濃度在5 X 1016 5 X 1019cnT3 ；在 P型層上淀積薄層金屬，金屬材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分別為2 5nm/2 5nm，在氮氧 混合氣體氛圍500°C下退火1 5分鐘形成p型歐姆接觸和透明電極，禁帶寬度為Eg3的本 征層為紫外敏感區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利15所述的紫外紅外雙色探測器的制作方法，其特征在于， 所述上電極、中電極和下電極構(gòu)成三電極結(jié)構(gòu)，紫外探測用上電極與中電極，紅外探測 用中電極與下電極；所述紅外探測用的下電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第一 n型歐姆接觸層上，紅外探測和 紫外探測共用的中電極制作在經(jīng)刻蝕后露出的第二 n型歐姆接觸層上，兩電極的材料依次 為 Ti/Al/Ti/Au，厚度分別為 10 20nm、150 250nm、30 80nm、150 500nm ；紫外探測 用的上電極制作在透明電極上的一小區(qū)域，電極材料依次為Ni/Au/Ti/Au，厚度分別為5 20nm、5 250nm、30 80nm、150 500nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紫外紅外雙色探測器及制作方法。該紫外紅外雙色探測器包括一襯底，在該襯底上進(jìn)行紫外紅外雙色探測器用材料結(jié)構(gòu)的生長；一緩沖層，生長在襯底之上；一第一n型歐姆接觸層，生長在緩沖層之上，用于歐姆接觸；由相互交替生長的第一本征層與重?fù)诫sn型層構(gòu)成的多周期層；一第二n型歐姆接觸層，生長在多周期層之上，部分區(qū)域作為n型歐姆接觸電極用；一禁帶寬度為Eg3的本征層，生長在第二n型歐姆接觸層之上，且Eg3≤Eg2；一透明電極，形成于禁帶寬度為Eg3的本征層之上；一上電極，形成于透明電極上一小區(qū)域；一中電極，形成于第二n型歐姆接觸層的電極窗口；以及一下電極，形成于第一n型歐姆接觸層的電極窗口。
文檔編號(hào)H01L31/101GK101872798SQ20101018340
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者劉宗順, 張書明, 朱建軍, 楊輝, 江德生, 王輝, 趙德剛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所