阅读说明：本技术 一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法 (Double-response GaN ultraviolet detector and preparation method thereof ) 是由 仇志军 叶怀宇 张国旗 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法,包括：1)衬底上依次生长GaN缓冲层和n型掺杂GaN层；2)所述n型掺杂GaN层上生长m层不同In组分本征掺杂In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1-x</Sub>N结构,其中m≥3；3)所述m层不同In组分本征掺杂In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1-x</Sub>N结构上生长p型掺杂GaN层；4)刻蚀所述p型掺杂GaN层和所述m层不同In组分本征掺杂In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1-x</Sub>N层；5)沉积钝化层；6)刻蚀所述钝化层并沉积金属电极。本发明的GaN探测器是PIN结构探测器,能够实现快速、准确、高灵敏度的紫外光探测；其次,本发明的探测器能够在输出光电信号的同时发出白光指示信号,实现了人眼可见的探测提示以及光信号测量。(The invention discloses a double-response GaN ultraviolet detector and a preparation method thereof, wherein the double-response GaN ultraviolet detector comprises the following steps: 1) sequentially growing a GaN buffer layer and an n-type doped GaN layer on the substrate; 2) growing m layers of intrinsic doped In with different In components on the n-type doped GaN layer x Ga 1‑x N structure, wherein m is more than or equal to 3; 3) the m layers of different In components are doped with In x Ga 1‑x Growing a p-type doped GaN layer on the N structure; 4) etching the p-type doped GaN layer and the m layer of intrinsic doped In with different In components x Ga 1‑x N layers; 5) depositing a passivation layer; 6) and etching the passivation layer and depositing a metal electrode. The GaN detector is a PIN structure detector, and can realize rapid, accurate and high-sensitivity ultraviolet detection; secondly, the detector of the invention can emit white light indicating signals while outputting photoelectric signals, thereby realizing detection prompt visible to human eyes and optical signal measurement.)

一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，具体为一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法。

背景技术

传统的紫外探测器工作原理是光电材料吸收外界紫外光后，在材料内部产生光生电子对，并在内建电势或扫描偏压的作用下，输出光生电压或者光电流信号，但是这些光电信号通常需要专业的半导体分析设备或者后端的信号处理电路才能读取出来，然后才能最终得到紫外辐射强度等信息。但是随着需求的发展以及探测器的普及应用，对于许多简单的测试多数情况下只需要示意性地知道外界的紫外光强，并不需要很复杂的电路结构或者设备进行光信号检测。所以需要一些新型结构的紫外探测器既能够满足精确、快速和高灵敏度的光信号探测，又能够满足一些简单的定性测试，通过肉眼可见的一些信息即能够示意人们光信号的强弱信息。

发明内容

基于上述提到的发展需求，本发明创新性的提出了一种双响应GaN紫外探测器及其制备方法，不仅能够满足精确、快速和高灵敏的紫外探测，而且能够简单便捷地实现人眼可见的光信号强弱显示。

方法包括：

1)衬底上依次生长GaN缓冲层和n型掺杂GaN层；

2)所述n型掺杂GaN层上生长m层不同In组分本征掺杂In_xGa_1-xN结构，其中m≥3；

3)所述m层不同In组分本征掺杂In_xGa_1-xN结构上生长p型掺杂GaN层；

4)刻蚀所述p型掺杂GaN层和所述m层不同In组分本征掺杂In_xGa_1-xN层；；

5)沉积钝化层；

6)刻蚀所述钝化层并沉积金属电极。

优选地，所述1)中的GaN缓冲层厚度为0.2μm～4μm。

优选地，所述1)中n型掺杂GaN层厚度为0.25μm～1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，掺杂元素为硅。

优选地，所述2)中的m层不同In组分本征掺杂In_xGa_1-xN结构厚度为0.1μm～1μm。

优选地，所述2)中，m为3；所述3层In_xGa_1-xN结构中In组分x依次分别为0.38～0.4、0.27～0.3、0.07～0.1，每层厚度相同为30nm～300nm。

优选地，所述3)中的p型掺杂GaN层厚度为0.5μm～2.5μm。

优选地，所述3)中p型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，掺杂元素为镁。

优选地，所述5)中的钝化层厚度为20nm～200nm；所述钝化层材料为氧化铝。

由上述方法制备的GaN基发光器件，所述器件为双响应GaN紫外探测器。

当p型GaN层吸收紫外光子后，会在体内形成大量的光生电子对，在内建电场的作用下这些光生载流子对会分离，然后大量的光生载流子注入In_xGa_1-xN层，且部分注入的光生载流子会在In_xGa_1-xN层内直接跃迁复合，同时会有光子发出。因为不同In组分In_xGa_1-xN层具有不同的禁带宽度，发出的光不同，尤其当In组分依次为0.38～0.4、0.27～0.3，和0.07～0.1时，在In_xGa_1-xN材料内直接跃迁发射的光子分别为红光(～630nm)、绿光(～520nm)、蓝光(～400nm)，这三种颜色的光同时输出时，即会合成自然白光，因此可以作为双响应GaN紫外探测器，当人眼观察到有白光发出的时候，也就可以定性判定该新型紫外探测器已经探测到了紫外光，而且探测的紫外光越强，该探测器发出的白光也会越强。传统的PN结构探测器只是测量电信号，本专利除了测量电信号以外，还可以发出可见光，即除了电信号响应以外还有光信号响应，因此为双响应紫外探测器。此外，本发明的探测器在结构上是一个PIN结构，能够快速分离光生载流子，并在P、N两端积累，产生光生电压效应，而且宽禁带材料本身具有很低的暗电流，因此本发明能够实现快速、高灵敏的光探测。

本发明的优点在于：

A.本发明采用不同In组分多层结构，得到复合光，可用于紫外光线检测。

B.本发明特定In组分多层结构，分别得到红、绿、蓝光，复合形成的白光随着蓝光强度的增强而增强。

C.本发明的双响应紫外探测器，能够简化测量设备或者读出电路，简单便携地实现了人眼可见的紫外光探测。

D.本发明的紫外探测器在结构上是一种PIN光伏探测器，因此具有快速、准确、高灵敏的光电响应特性。

E.本发明的紫外探测器，在定性测量或检测领域，能够简化测量设备，方便使用，有利于系统小型化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的物理能带结构示意图。

图2为本发明的二维剖面结构示意图。

图3、4、5为本发明的制备工艺流程图。

图1中，VBE——价带能级，CBE——导带能级。

图2中，蓝宝石衬底1，GaN缓冲层2，n型掺杂GaN层3，本征掺杂的In_xGa_1-xN层4、5、6，p型掺杂GaN层7，氧化铝钝化层8，金属上电极9，金属上电极10。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种双响应GaN紫外探测器件制备方法，如图3所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长2μm GaN缓冲层2、0.25μm掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n型GaN层3、0.3μm In组分为0.38的本征掺杂In_xGa_1-xN层4、0.3μm In组分为0.27的本征掺杂In_xGa_1-xN层5、0.3μm In组分为0.07的本征掺杂In_xGa_1-xN层6、1μm掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p型GaN层7；

3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台阶和台面，其中台阶的刻蚀深度至n型掺杂GaN层3。

4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积20nm厚的氧化铝(Al₂O₃)层8。

5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料的选择确保上金属电极9与p型GaN层7形成了良好的欧姆接触，下金属电极10与n型GaN层3形成了良好的欧姆接触。

制备的探测器的能带结构示意图如图1所示，p型GaN层的禁带宽度为3.4eV，能够吸收波长短于280nm的紫外光。

本实施例还提供一种双响应GaN紫外探测器，器件的剖面如图2所示，它由蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、n型掺杂GaN层3、本征掺杂的In_xGa_1-xN层4、5、6、p型掺杂GaN层7、氧化铝钝化层8、金属上电极9和金属上电极10组成。

实施例2

本实施例提供一种另一种双响应GaN紫外探测器件制备方法如图4所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长3μm GaN缓冲层2、0.5μm掺杂浓度为2.5×10¹⁸cm^-3的n型GaN层3、0.45μm In组分为0.39的本征掺杂In_xGa_1-xN层4、0.45μm In组分为0.28的本征掺杂In_xGa_1-xN层5、0.45μm In组分为0.08的本征掺杂In_xGa_1-xN层6、1.25μm掺杂浓度为1.5×10¹⁸cm^-3的p型GaN层7；

3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台阶和台面，其中台阶的刻蚀深度至n型掺杂GaN层3。

4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积40nm厚的氧化铝(Al₂O₃)层8。

5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料的选择确保上金属电极9与p型GaN层7形成了良好的欧姆接触，下金属电极10与n型GaN层3形成了良好的欧姆接触。

实施例3

本实施例提供一种另一种双响应GaN紫外探测器件制备方法如图5所示，包括：

1)取样蓝宝石衬底，并用浓磷酸溶液对其表面进行预处理。

2)在蓝宝石衬底之上依次外延生长4μm GaN缓冲层2、0.75μm掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的n型GaN层3、0.6μm In组分为0.4的本征掺杂In_xGa_1-xN层4、0.6μm In组分为0.3的本征掺杂In_xGa_1-xN层5、0.6μm In组分为0.1的本征掺杂In_xGa_1-xN层6、1.5μm掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的p型GaN层7；

3)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀外延材料，形成刻蚀台阶和台面，其中台阶的刻蚀深度至n型掺杂GaN层3。

4)利用原子层沉积(ALD)设备，在洁净的刻蚀台阶和台面上淀积80nm厚的氧化铝(Al₂O₃)层8。

5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在氧化铝介质层8刻蚀出上电极孔和下电极孔。

6)利用光刻、金属蒸镀技术，淀积金属电极9、10，通过适当的退火工艺和金属材料的选择确保上金属电极9与p型GaN层7形成了良好的欧姆接触，下金属电极10与n型GaN层3形成了良好的欧姆接触。

本实施例1-3通过在传统的GaN PN结的基础上，在结中间***三层不同组分的In_xGa_1-xN本征材料。由于In的加入，导致In_xGa_1-xN材料的禁带宽度变窄。通过选择合适的In组分，可以实现红，绿，蓝光的释放，从而合成可见的白光。因此，在紫外线辐照情况下，该器件结构除了会提供可供测量的光电压或者光电流信号外，还可以发出可见光，以供提示，特别是在光照不足或者夜晚的情况下，可以明显获知紫外源。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。