基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器及其制备方法 (Broadband ultraviolet detector based on semi-polar superlattice structure and preparation method thereof ) 是由 徐峰 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器及其制备方法,所述紫外探测器包括衬底、生长在衬底上的薄膜层、淀积在薄膜层的掩膜层、以及生长在掩膜层上的光吸收层、以及复合于光吸收层上的电极层；所述光吸收层为半极性AlInGaN超晶格材料。本发明将低缺陷密度的半极性Al-(x)Ga-(1-x)N/In-(y)Ga-(1-y)N超晶格结构成功应用于紫外探测器吸收层,同时可以通过精确调节金属Al、In金属元素组分x和y,使Al-(x)In-(y)Ga-(1-x-y)N超晶格材料带隙宽度在3.4～6.2eV范围连续可调,对应的响应波长范围处于200～365nm。本发明的紫外探测器能够兼顾降低材料缺陷密度和极化效应,结合金属叉指结构电极工艺,能有效提高光生载流子收集效率,在降低器件暗电流的同时,显著提高响应度和响应速度。(The invention discloses a broadband ultraviolet detector based on a semi-polar superlattice structure and a preparation method thereof, wherein the ultraviolet detector comprises a substrate, a thin film layer grown on the substrate, a mask layer deposited on the thin film layer, a light absorption layer grown on the mask layer and an electrode layer compounded on the light absorption layer; the light absorption layer is made of a semi-polar AlInGaN superlattice material. The invention combines low defect density semipolar Al x Ga 1‑x N/In y Ga 1‑y The N superlattice structure is successfully applied to the ultraviolet detector absorption layer, and meanwhile, the metal components x and y of metal Al and In can be accurately adjusted to ensure that Al is In a pure state x In y Ga 1‑x‑y The band gap width of the N superlattice material is continuously adjustable within the range of 3.4-6.2 eV, and the corresponding response wavelength range is 200-365 nm. The ultraviolet detector can reduce the defect density and polarization effect of materials, combines a metal interdigital structure electrode process, can effectively improve the collection efficiency of photon-generated carriers, and obviously improves the responsiveness and response speed while reducing the dark current of a device.)
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制备，尤其涉及一种基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器及其制备方法。
背景技术
宽波段紫外探测技术在紫外通讯、侦察及预警、环境污染监测等领域具有极其重要的应用。AlGaN基第三代宽禁带半导体材料由于具有高电子饱和速度、高击穿电场、高热导率和耐辐射等物化特性，已成为制备紫外探测器的优选材料体系。通过调节AlGaN的材料组分可以使探测波长在200～365nm范围内连续可调，非常适用于在可见光背景下辨别监测日盲紫外宽波段。AlGaN基金属-半导体-金属(MSM)结构探测器因其电容小、结构简单、高响应度、高紫外探测比等优势，成为目前最受关注的紫外探测器之一。
AlGaN紫外探测器虽然拥有上述诸多优势，但基于异质外延生长导致的晶格失配和热失配会在AlGaN材料中引入高密度位错缺陷，使肖特基势垒厚度变薄，形成缺陷辅助的隧穿电流，从而增加探测器暗电流，此外，金属与半导体界面的缺陷态会捕获光生载流子导致光电导增益，降低了探测器件的响应速度，更为关键的是，AlGaN材料较强的极化效应严重制约了光生载流子输运，导致光生载流子不能被有效收集，限制了器件探测效率和工作性能。
发明内容
发明目的：本发明的目的提供一种响应速度快、探测效率高、暗电流低、器件性能好的基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器；本发明的另一目的提供一种基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器的制备方法。
技术方案：本发明的基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器，包括衬底、生长在衬底上的薄膜层、淀积在薄膜层的掩膜层、以及生长在掩膜层上的光吸收层、以及复合于光吸收层上的电极层；所述光吸收层为半极性AlInGaN超晶格材料；AlInGaN超晶格材料为AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构，其中，Al的组分x变化区间为0～1，In的组分y变化区间为0～1，且x/y为4.66。
优选的，衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。
优选的，薄膜层为GaN薄膜层，电极层为Ni/Au双层MSM金属电极层，掩膜层为SiO2掩膜层或Si3N4掩膜层。
优选的，AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构中包含n个AlxGa1-xN子层和n个InyGa1-yN子层；其中，AlxGa1-xN子层为半极性晶面，厚度不小于0.1nm，InyGa1-yN子层为半极性晶面，厚度不小于0.1nm。
优选的，AlxGa1-xN/InyGa1-yN的超晶格结构周期数不小于1。
半极性AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构由半极性AlxGa1-xN和InyGa1-yN超晶格子层构成。生长AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构时，由于各子层被其上下两层共用而均匀分配组分，最终可形成面内晶格常数介于AlGaN和InGaN之间的AlInGaN超晶格材料，并且当Al、In金属元素组分x和y的比值为4.66时，可以实现与GaN面内晶格常数的完全匹配。
优选的，AlInGaN超晶格材料带隙宽度的可调范围为3.4～6.2eV，紫外探测器的响应波长为200～365nm。通过调节Al、In金属元素组分比x/y，可以使AlInGaN超晶格材料带隙宽度的可调范围为3.4～6.2eV，对应的紫外探测器的响应波长为200～365nm。
上述的宽波段紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用化学气相沉积法，在衬底上外延生长薄膜层，或者，直接采用带有薄膜层的自支撑衬底材料；然后利用等离子体增强化学气相沉积法在薄膜层淀积掩膜层；
(2)利用光刻和湿法腐蚀法在掩膜层上开出沿薄膜层的半极性晶向的十字形沟槽窗口，暴露出薄膜层；
(3)利用化学气相沉积法，将带有生长掩膜图形的薄膜进行二次外延生长，得到半极性AlGaN/InGaN超晶格结构；
(4)利用电子束蒸发法在半极性AlGaN/InGaN超晶格结构表面形成金属电极层，然后在氮气气氛下进行快速热退火，形成肖特基接触，得到紫外探测器。
进一步地，步骤(1)和步骤(3)中的化学气相沉积法为基于选择性横向外延法的金属有机物化学气相沉积法。
进一步地，衬底为蓝宝石衬底、氧化铟锡衬底、石英衬底和氧化镁衬底中的一种或多种；薄膜层为GaN薄膜层，金属电极层为Ni/Au双层MSM金属电极层，掩膜层为SiO2掩膜层或Si3N4掩膜层。
掩膜层为SiO2掩膜层或Si3N4掩膜层，根据选择性横向外延生长质量输运机制，半极性面种类主要取决于晶面的表面能和表面原子稳定性，当掩膜层的条形、十字形等二次外延生长窗口沿GaN薄膜层特定半极性晶向时，可生长获得微面形貌为半极性晶面的AlGaN和InGaN超晶格子层薄膜材料。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)紫外探测器性能参数达到以下指标：①超晶格材料表面V型缺陷密度<4.6×105/cm2，表面粗糙度RMS<1nm；②探测器件暗电流低于1pA；③探测器内量子效率>80％；
(2)有效降低探测器件的暗电流和光电导增益，AlGaN/InGaN超晶格结构可以实现与GaN层完全匹配的晶格，从而有效消除晶格失配引起的应力，进一步地通过优化生长掩膜层的填空因子；
(3)降低材料缺陷密度，选择性横向外延工艺可以使大部分位错线在半极性界面处发生90度偏转，从而降低材料的位错密度。
附图说明
图1为实施例1紫外探测器结构示意图；
图2为实施例1的半极性AlGaN/InGaN超晶格的结构示意图；
图3为实施例1的紫外探测器中AlGaN/InGaN超晶格的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
1、紫外探测器
如图1所示，一种基于半极性超晶格结构的宽波段紫外探测器，包括衬底1、生长在衬底1上的薄膜层2、淀积在薄膜层2的掩膜层3、以及生长在掩膜层3上的光吸收层4、以及复合于光吸收层4上的电极层5。
衬底1为蓝宝石衬底，薄膜层2为GaN薄膜层，掩膜层3为SiO2掩膜层，光吸收层4为半极性AlGaN/InGaN超晶格材料，电极层5为Ni/Au双层MSM金属电极层。
如图2所示，半极性AlGaN/InGaN超晶格的结构示意图，GaN薄膜层上依次为InGaN层41、AlGaN层42、InGaN层43、AlGaN层44、InGaN层45、AlGaN层46。图2仅示意InGaN层和AlGaN层间的结构关系，InGaN层和AlGaN层的数量不止图片中的层数，AlGaN/InGaN超晶格结构中包含n个AlGaN子层和n个InGaN子层。
如图3所示，紫外探测器中AlGaN/InGaN超晶格的结构示意图，衬底1为蓝宝石衬底、薄膜层2为GaN薄膜层、掩膜层3为SiO2掩膜层、光吸收层4为半极性AlGaN/InGaN超晶格材料，其中，掩膜层3阻挡了异质外延产生的大量位错线，同时在生长窗口区域向上延伸的位错线6会在半极性界面处发生偏转，从而降低材料的位错密度。
2、紫外探测器的制备方法步骤如下：
(1)化学气相沉积法采用行星式4英寸金属有机物化学气相淀积MOCVD制备系统，利用上述MOCVD系统在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜层，其中三甲基镓(TMGa)为镓元素的MO生长源；三甲基铝(TMAl)为铝元素的MO生长源、三甲基铟(TMIn)铟元素的MO生长源；氮源为氨气(NH3)；然后利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在GaN薄膜层淀积二氧化硅掩膜层。
(2)利用光刻和湿法腐蚀法在二氧化硅掩膜层上开出沿GaN半极性晶向的十字形沟槽窗口，暴露出GaN薄膜层；
(3)将带有生长掩膜图形的GaN薄膜进行二次MOCVD外延，获得半极性AlGaN/InGaN超晶格结构；
(4)通过电子束蒸发工艺形成Ni/Au双层MSM金属电极，随后在700℃的氮气气氛下进行快速热退火，形成肖特基接触，完成半极性AlGaN/InGaN超晶格结构MSM紫外探测器件的制备。
实施例2
1、紫外探测器
衬底为硅衬底，薄膜层为GaN薄膜层，掩膜层为Si3N4掩膜层，光吸收层为半极性AlGaN/InGaN超晶格材料，电极层为Ni/Au双层MSM金属电极层。
2、紫外探测器的制备方法步骤如下：
(1)化学气相沉积法采用行星式4英寸金属有机物化学气相淀积MOCVD制备系统，利用上述MOCVD系统在硅衬底上外延生长GaN薄膜层，其中三甲基镓(TMGa)为镓元素的MO生长源；三甲基铝(TMAl)为铝元素的MO生长源、三甲基铟(TMIn)铟元素的MO生长源；氮源为氨气(NH3)；然后利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在GaN薄膜层淀积Si3N4掩膜层。
(2)利用光刻和湿法腐蚀法在Si3N4掩膜层上开出沿GaN半极性晶向的十字形沟槽窗口，暴露出GaN薄膜层；
(3)将带有生长掩膜图形的GaN薄膜进行二次MOCVD外延，获得半极性AlGaN/InGaN超晶格结构；
(4)通过电子束蒸发工艺形成Ni/Au双层MSM金属电极，随后在700℃的氮气气氛下进行快速热退火，形成肖特基接触，完成半极性AlGaN/InGaN超晶格结构MSM紫外探测器件的制备。
以上实施例中的MOCVD选择性横向外延工艺利用具有十字形沟槽结构的二氧化硅(或氮化硅等)作为生长掩膜层，生长掩膜阻挡了异质外延产生的大量位错线，同时在生长窗口区域向上延伸的位错线会在半极性界面处发生偏转而降低密度，进一步地，本发明中经过优化设计的AlGaN/InGaN超晶格结构可以实现与GaN薄膜层完全匹配的晶格，从而有效消除晶格失配引起的应力，最终使得半极性AlGaN/InGaN超晶格结构表面缺陷数量大幅下降，从而有效降低深紫外探测器件的暗电流和光电导增益。
本发明将低缺陷密度的半极性AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构成功应用于紫外探测器吸收层，同时可以通过精确调节金属Al、In金属元素组分x和y，使AlxInyGa1-x-yN超晶格材料带隙宽度在3.4～6.2eV范围连续可调，对应的响应波长范围处于200～365nm。
其中，AlxInyGa1-x-yN材料带隙宽度Eg可按下式求解：
式中AlGaN、InGaN材料各自的能带弯曲参数bAlGaN、bInGaN分别可取0.7eV和2.1eV，通过二次近似可得bxy≈1eV。
本发明经过合理设计的半极性AlxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格结构宽波段紫外探测器能够兼顾降低材料缺陷密度和极化效应，结合金属叉指结构电极工艺，能有效提高光生载流子收集效率，在降低器件暗电流的同时，显著提高响应度和响应速度。
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