專利名稱：內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型基于金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器極其制作方法，同時該結(jié)構(gòu)還適用于其他波段金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)單光子探測器。
背景技術(shù)：
紫外光特別是日盲紫外波段的探測在空間探測以及軍事方面有著極其重要的應(yīng)用。目前，紫外波段的光子計數(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的是光電倍增管(PMT)，但是光電倍增管體積大、 易碎、工作電壓高且價格昂貴，所以體積小、價格便宜的固態(tài)紫外探測器就有非常重要的優(yōu)勢。目前能夠得到的固態(tài)紫外光波段單光子探測器為p-n結(jié)構(gòu)或p-i-n結(jié)構(gòu)，這種探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要同時生長η型和P型半導(dǎo)體，缺陷密度極難控制，同時電極與半導(dǎo)體之間需要形成歐姆接觸，工藝很難形成好的歐姆接觸，過程控制困難，制備成本極高。而金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)結(jié)構(gòu)探測器(physicsof semiconductor devices, third edition, S. M. Sze, Wiley Interscience)沒有ρ型半導(dǎo)體，電容小，且易于制造，故 MSM結(jié)構(gòu)紫外光探測器有著很高的應(yīng)用價值。如圖IA所示為典型的MSM結(jié)構(gòu)探測器剖面圖，MSM 100結(jié)構(gòu)探測器是由襯底101，η型半導(dǎo)體102和叉指狀電極103和104構(gòu)成，其正面電極結(jié)構(gòu)如圖IB所示，電極103-1，103-2…，103-Ν組成叉指狀陰極電極，電極104-1， 104-2…，104-Ν組成叉指狀陽極電極。圖IC是MSM100結(jié)構(gòu)探測器的等效電路結(jié)構(gòu)圖， MSM 100由兩個背靠背的肖特基二極管組成，當(dāng)加上工作電壓時，叉指狀電極之間形成耗盡層，光子在耗盡區(qū)被吸收產(chǎn)生光電子，光電子遷移或漂移運動被叉指狀電極收集產(chǎn)生電信號，從而可以探測光信號，基于MSM結(jié)構(gòu)的紫外光雪崩管也在2011年被報道，(F. Xie, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 32, NO. 9, SEPTEMBER 2011)。但是傳統(tǒng)的 MSM 結(jié)構(gòu)探測器需要外接復(fù)雜的熄滅電路來實現(xiàn)單光子探測，增加了系統(tǒng)設(shè)計的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種新型的基于MSM結(jié)構(gòu)內(nèi)置負反饋紫外光單光子探測器結(jié)構(gòu)以及其制造方法。本發(fā)明技術(shù)方案是基于MSM結(jié)構(gòu)內(nèi)置負反饋紫外光單光子探測器結(jié)構(gòu)，包括襯底、η型半導(dǎo)體、薄膜電阻和叉指狀電極；優(yōu)選的是，所述結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器從下至上一次包括襯底，η型半導(dǎo)體，陰極電極與η型半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)，薄膜電阻淀積在η型半導(dǎo)體上，而陽極電極生長在薄膜電阻上。所述MSM結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器的制備方法包括如下步驟(1)在襯底上形成η型半導(dǎo)體，也可以之前生長多層緩沖層，再生長η型半導(dǎo)體；(2)在η型半導(dǎo)體上生長薄膜電阻并刻蝕，使之形成叉指狀陽極電極的形狀；(3)淀積電極形成叉指狀陰極電極和陽極電極。如圖2Ε所示，所述內(nèi)置負反饋MSM結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器結(jié)構(gòu)包括襯底201，η型半導(dǎo)體202，陰極電極204淀積在η型半導(dǎo)體上形成肖特基接觸，薄膜電阻203-1， 203-2···，203-Ν淀積在η型半導(dǎo)體上形成叉指狀電阻，陽極電極205-1，205-2···，205-Ν淀積在薄膜電阻203上形成陽極電極205，叉指狀陰極204、薄膜電阻203和陽極電極205如圖 2F所示。其中電極204和205可以為透明金屬材料。所述紫外光單光子探測器MSM 200的工藝流程包括步驟1，如圖2Α所示，在襯底上淀積緩沖層，減小襯底與η型半導(dǎo)體之間的晶格適配，從而減小缺陷密度，形成襯底201 ；步驟2，如圖2Β所示，在襯底201上淀積η型半導(dǎo)體202，；步驟3，如圖2C所示，在η型半導(dǎo)體202上淀積薄膜電阻203 ；步驟4，如圖2D所示，刻蝕薄膜電阻203，形成叉指狀電阻203-1,203-2 ；步驟5，如圖2Ε所示，淀積形成陽極電極205-1,205-2和陰極電極204-1，205-2， 陰極電極和η型半導(dǎo)體形成肖特基接觸，陽極電極淀積在薄膜電阻上。所述紫外光單光子探測器MSM 200等效電路圖如圖2F，其在工作時，MSM200中陰極與η型半導(dǎo)體形成的肖特基結(jié)反偏，且工作電壓超過其擊穿電壓，使探測器工作在蓋革模式(Geiger Mode)D. Renker, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 0006)48-56下，這時在探測器MSM 200陰極204和陽極205間形成耗盡層，耗盡層中電場強度極高，當(dāng)無光時，這時探測器MSM 200中肖特基結(jié)處于反偏狀態(tài)，肖特基結(jié)等效與一個電容，工作電壓主要分配在肖特基上結(jié)上，若有光子到達探測器MSM 200中耗盡層中，光子被吸收產(chǎn)生電子空穴對，電子和空穴在耗盡層中倍增產(chǎn)生更多的電子和空穴，反偏的肖特基結(jié)發(fā)生雪崩，從而一個光子信號轉(zhuǎn)化為電信號并被放大，該過程可以看成是電容的放電過程，這時工作電壓有很一部分電壓分配到薄膜電阻203上，從而肖特基結(jié)上的電壓降低，雪崩被熄滅，薄膜電阻203有著負反饋的作用。一旦MSM 200中反偏肖特基結(jié)上的電壓降低，雪崩過程被熄滅，這時肖特基結(jié)重新充電，電壓增加，從而能夠探測下一個光信號。由于p-n結(jié)構(gòu)或者p-i-n結(jié)構(gòu)紫外光雪崩管工藝復(fù)雜，需要生長η型半導(dǎo)體和P 型半導(dǎo)體，而GaN和AWaN基材料很難控制缺陷密度，同時在ρ_η和p-i-n結(jié)構(gòu)紫外光雪崩管中，電極與半導(dǎo)體之間需要形成歐姆接觸，而這也是工藝中極難控制的一個工藝步驟。而基于金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)置負反饋紫外光單光子探測器MSM 200中只需生長η型半導(dǎo)體，同時電極與半導(dǎo)體之間形成的是肖特基接觸，故對電極工藝要求簡單， 成本低廉，且MSM結(jié)構(gòu)電容小，所以MSM 200紫外光單光子探測器反應(yīng)速度較快。且在MSM 200紫外光單光子探測器中，由于內(nèi)置了薄膜電阻203，所以當(dāng)MSM 200探測到一個光信號后，其引發(fā)的雪崩電流能夠被薄膜電阻熄滅掉，從而能夠探測下一個光信號，MSM 200單光子探測器具有內(nèi)置負反饋的功能，不需要外部復(fù)雜的熄滅電路的輔助，從而降低了整個MSM 200單光子探測器系統(tǒng)的設(shè)計成本。所述MSM 200紫外光單光子探測器工作在改革模式(Geiger Mode)下，其工作電壓為10V-200V之間。所述MSM 200紫外光單光子探測器中，η型半導(dǎo)體由III-V族材料，II-VI族材料或IV-IV族材料制得。所述MSM 200紫外光單光子探測器制備工藝中，η型半導(dǎo)體和薄膜電阻可以用MOCVD工藝制備。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器克服了 p-n和p-i-n結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器復(fù)雜的工藝流程帶來的工藝控制困難、成本昂貴的問題。本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器克服了傳統(tǒng)的MSM結(jié)構(gòu)探測器需要外接復(fù)雜熄滅電路的困難，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了設(shè)計成本。


圖IA為典型的金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光探測器的剖面圖；圖IB為典型的金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光探測器的正面電極結(jié)構(gòu)圖；圖IC是典型的金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光探測器等效電路圖；圖2A是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器制備過程中襯底示意圖；圖2B是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器制備過程中淀積η 型半導(dǎo)體示意圖；圖2C是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器制備過程中淀積薄膜電阻示意圖；圖2D是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器制備過程中刻蝕薄膜電阻示意圖；圖2Ε是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器制備過程中淀積形成電極示意圖和探測器剖面圖；圖2F是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器正面薄膜電阻和電極結(jié)構(gòu)圖；圖2G是內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器等效電路圖。 具體實施方案如圖2Ε所示為本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器剖面結(jié)構(gòu)圖，我們可以至下而上形成襯底201，襯底201可以是SiC，藍寶石以及硅等材料， 也可以是GaN基或AlGaN基等材料；η型半導(dǎo)體202，材料可以是GaN，AlGaN和SiC等材料，其中也有緩沖層，以減少晶格適配，降低位錯密度，可以運用MOCVD外延生長；薄膜電阻 203，薄膜電阻可以采用SiC，SixOy或未摻雜的GaN，AKkiN等材料，其電阻值約為幾十K Ω 到IM Ω，可以采用MOCVD的方法外延生長；陰極電極204和陽極電極205，陰極電極204與 η型半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)，電極可以采用透明或半透明材料。本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器是基于金屬-半導(dǎo)體-金屬探測器結(jié)構(gòu)，具有工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點，若制成400 μ mX 400 μ m尺寸負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器，其具體的工藝步驟為在襯底201上可以淀積緩沖層，以減少晶格適配，降低缺陷密度，襯底201上可以為SiC，藍寶石以及硅等材料，也可以是GaN基或AlGaN基等材料，如圖2A所示；在襯底201上淀積η型半導(dǎo)體202，可以是GaN，AWaN基材料，也可以是SiC材料，其厚度為1-10 μ m，可以采用MOCVD方法生長η型半導(dǎo)體，如圖2Β所示；緩沖層是在GaN， AKiaN基材料在低溫生長的相同層材料(參見本申請人專利申請。)在η型半導(dǎo)體202上淀積薄膜電阻203，可以是SiC，SixOy或未摻雜的GaN，AlGaN 等材料，其電阻值約為幾十ΚΩ到1ΜΩ，如圖2C所示；刻蝕薄膜電阻203成叉指狀結(jié)構(gòu)，其每個叉指寬度為10 μ m,間距為30 μ m，如圖2D 所示；可以采用PECVD的方式生長電極，使陰極電極204處于叉指狀薄膜電阻203中間， 陰極電極204寬度為10 μ m,陰極電極與η型半導(dǎo)體形成肖特基接觸，使陽極電極205生長在薄膜電阻203之上，電極寬度為10 μ m，如圖2Ε所示，其叉指狀電極和薄膜電阻如圖2F所
7J\ ο本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器MSM 200工作在蓋革模式(Geiger Mode)下，即加上負偏壓，且所加電壓超過探測器的擊穿電壓，其大小約為10V-20V，當(dāng)無光時，探測器MSM 200不能發(fā)生雪崩擊穿，這時在電極上測得電流很??； 當(dāng)有光時，探測器MSM 200發(fā)生雪崩擊穿，在電極上檢測到一個大電流，這個電流就是電信號，同時內(nèi)置的薄膜電阻能夠使雪崩熄滅，從而探測器MSM 200能夠繼續(xù)探測光信號，實施例對0. 2-0. 3微米波長的紫外光敏感。本發(fā)明紫外光單光子探測器構(gòu)成陣列使用是常規(guī)的方法。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器，其特征是每個探測器從下至上包括襯底，襯底上可以生長緩沖層，襯底或緩沖層上是η型半導(dǎo)體，η型半導(dǎo)體上面是叉指狀薄膜電阻，陽極電極淀積在薄膜電阻上形成陽極電極，最上層是叉指狀電極，陰極電極與η型半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)，陽極電極淀積在薄膜電阻上。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器，其特征是刻蝕薄膜電阻(203)成叉指狀結(jié)構(gòu)，其每個叉指寬度為10 μ m,間距為30 μ m ；陰極電極處于叉指狀薄膜電阻203中間，陰極電極寬度為ΙΟμπι，陰極電極與η型半導(dǎo)體形成肖特基接觸，使陽極電極205生長在薄膜電阻之上，電極寬度為10 μ m。
3.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器的襯底選用SiC，GaN，藍寶石或者硅等材料。
4.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器的η 型半導(dǎo)體可以是SiC，GaN, AlGaN基等材料。
5.如權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器工作在負偏壓下，超過探測器的擊穿電壓，電壓大小為10V-20V。
6.如權(quán)利要求1至4之一所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器機構(gòu)適用于可見光、紅外光等波段的探測，其η型半導(dǎo)體可以是InGaAs等其他III-V族或 II-VI族材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器的制備步驟是(1)在襯底上淀積緩沖層，降低晶格失配，減小缺陷密度；(2)在襯底上淀積η型半導(dǎo)體；(3)在η型半導(dǎo)體上淀積薄膜電阻并刻蝕成叉指狀；(4)淀積叉指狀電極，陰極電極與η型半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)，陽極電極電極在薄膜電阻上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器的制備步驟是在η型半導(dǎo)體202上淀積薄膜電阻203，是SiC，SixOy或未摻雜的GaN，AlGaN材料，其電阻值約為幾十ΚΩ到1ΜΩ。
全文摘要
一種內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬紫外光單光子探測器，每個探測器從下至上包括襯底，襯底上可以生長緩沖層，襯底或緩沖層上是n型半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體上面是叉指狀薄膜電阻，陽極電極淀積在薄膜電阻上形成陽極電極，最上層是叉指狀電極，陰極電極與n型半導(dǎo)體形成肖特基結(jié)，陽極電極淀積在薄膜電阻上。本發(fā)明所述內(nèi)置負反饋金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器克服了p-n和p-i-n結(jié)構(gòu)紫外光單光子探測器復(fù)雜的工藝流程帶來的工藝控制困難、成本昂貴的問題。
文檔編號H01L31/101GK102496648SQ20111038269
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者吳福偉, 閆鋒 申請人:南京大學(xué)