基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器的製造方法與工藝

2023-11-10 19:42:27 2

本發明涉及一種半導體光電子器件，特別是涉及一種紫外探測器。

背景技術：
紫外探測技術是繼紅外和雷射探測技術之後發展起來的又一軍民兩用的光電探測技術。紫外探測技術被廣泛的應用於飛彈預警與跟蹤、高保密性紫外通信、醫學、生物、食品藥品安全、火焰監測、臭氧檢測、雷射探測、螢光分析以及天文學研究等諸多領域。目前，已投入商業和軍事應用的紫外探測系統，多採用紫外敏感的光電倍增管和類似的真空器件。真空器件雖然能實現高響應的紫外探測，但相對固體探測器而言，具有易破碎、體積大、工作電壓高等缺點。隨著第三代寬禁帶半導體材料技術的進步，人們開始採用本徵型寬禁帶半導體來研製紫外固態光電探測器，其中最具潛力的是基於氮化鎵(GaN)基半導體材料製備的紫外探測器。GaN基薄膜材料，作為第三代半導體材料的代表，具有直接帶隙、禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、介電常數小、抗輻射能力強、化學穩定性高等優點，能夠在太空等惡劣環境下工作。此外，GaN能夠和AlN形成組分可調的三元合金材料AlGaN，其禁帶寬度從GaN的3.4eV能夠連續變化到AlN的6.2eV，AlGaN探測器的本徵截止波長能夠從365nm連續變化到200nm，是製作全固態紫外探測器的理想材料之一。由於軍民兩用市場巨大的應用前景和基礎前沿性科學探索的需要，GaN基紫外探測器一直是III族氮化物寬禁帶半導體領域研究和開發的熱點。1992年M.A.Khan等人首次用絕緣GaN材料研製出光電導型紫外探測器，至今GaN基紫外探測器的研究已經歷了20多年的發展歷程。國外已經對多種結構的GaN基紫外探測器開展了研究，如光電導結構、p-i-n結構、肖特基勢壘結構、MSM(metal-semiconductor-metal)等結構紫外探測器。在紫外探測的應用中，很多情況需要對特定波段的紫外線進行檢測，被檢測的紫外波段往往在幾十個納米的範圍內。為了實現對特定波段的檢測而不受其它波段的幹擾，一般採用在探測器的窗口層加特定的濾波片。在探測器的窗口層加入特定的濾光片雖然能實現特定紫外線的檢測，但增加濾光片會降低探測器的響應率，同時工藝複雜和成本昂貴。為了使探測器本身具有窗口選擇特性，Wang等人提出背照式p-i-n結構[Appl.Phys.Lett.,73:1086-1088(1998)]，該結構在沉積i型和p型GaN層之前，先在藍寶石襯底上生長一n型AlGaN層，因為AlGaN的帶隙比GaN要寬，可以吸收短波紫外線，從而使探測器只對GaN截止波長和AlGaN截止波長之間的紫外線進行選擇探測。Chiou等人詳細的研究了該類結構中AlGaN厚度對探測器響應的影響[IEEEElectronDeviceLett.26,172(2005)]。該結構器件雖然具有很好的紫外/可見光抑制比，但是，該結構不能解決探測器在短波段的抑制比問題，同時外延材料的質量也受到襯底技術的影響。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，該紫外探測器通過阻擋勢壘結構對探測器的輸運模式進行選擇，同時採用先進的NPSS技術，進而達到全面提高窄帶通紫外探測器性能的目的。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，為複合層結構；自下而上依次包括：襯底、緩衝層、N型吸收層和肖特基電極；其中於肖特基電極的中間開有缺口，於所述肖特基電極的缺口處、N型吸收層的上方還依次包括N型勢壘層和N型短波過濾層。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述襯底為納米圖形化藍寶石襯底。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述緩衝層厚度為100-300nm，所述N型吸收層厚度為300-500nm，所述N型勢壘層厚度為100-200nm，所述N型短波過濾層厚度為300-500nm。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述緩衝層厚度為200nm，所述N型吸收層厚度為400nm，所述N型勢壘層厚度為150nm；所述N型短波過濾層厚度為400nm。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述緩衝層為AlN材料；所述N型吸收層為非故意摻雜的弱N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1，摻雜濃度約為1×1016cm-3；所述N型勢壘層為故意摻雜的N型AlyGa1-yN材料，其中0≤y≤1，摻雜濃度約為1×1018cm-3；所述N型短波過濾層為非故意摻雜的弱N型AlzGa1-zN材料，其中0≤z≤1，摻雜濃度約為1×1016cm-3。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述不同外延層材料的Al組分滿足y>z>x。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中y＝0.3，z＝0.1，x＝0.0。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，其中所述肖特基電極為叉指結構。本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器採用NPSS技術所製備的器件，生長材料質量較高，位錯、缺陷密度小，器件的暗電流小，性能穩定；新結構的阻擋勢壘層對探測器的輸運模式進行選擇，提高探測器的短波抑制比；吸收區上表面為勢壘層，形成異質界面，探測器受界面態複合影響，界面態的密度遠低於表面態，這樣器件具有較高的量子效率。可通過選擇不同外延層的組分搭配，實現不同波段和帶寬的紫外線探測。下面結合附圖對本發明基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器作進一步說明。附圖說明圖1本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器的半剖視圖；圖2為本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器能帶示意圖；圖3為本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器光譜響應與傳統結構紫外探測器的光譜響應的比較示意圖。具體實施方式如圖1所示，本發明一種基於NPSS的窄帶通GaN基MSM結構紫外探測器，自下而上依次包括：襯底1、緩衝層2、N型吸收層3和肖特基電極6；其中於肖特基電極6的中間開有缺口，缺口兩側的肖特基電極彼此獨立；於肖特基電極6的缺口處、N型吸收層3的上方還依次包括N型勢壘層4和N型短波過濾層5。從材料選用角度來講，襯底1為納米圖形化藍寶石材質；肖特基電極6為叉指電極；緩衝層2為AlN材質；N型吸收層3為非故意摻雜的弱N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1，摻雜濃度約為1×1016cm-3；N型勢壘層4為故意摻雜的N型AlyGa1-yN材料，其中0≤y≤1，摻雜濃度約為1×1018cm-3；N型短波過濾層5為非故意摻雜的弱N型AlzGa1-zN材料，其中0≤z≤1，摻雜濃度約為1×1016cm-3；不同外延層材料的Al組分滿足y>z>x。從厚度角度來講，緩衝層2厚度為100-300nm，N型吸收層3厚度為300-500nm，N型勢壘層4厚度為100-200nm，N型短波過濾層5厚度為300-500nm。本發明的工作原理如圖2所示為：當紫外光從前端入射，光子能量高於N型短波過濾層材料帶隙的紫外線將被直接吸收，產生的部分光生載流子將會向吸收層擴散，當擴散至N型短波過濾層和N型勢壘層的界面時，由於N型勢壘層具有更寬的帶隙，將阻擋短波紫外線產生的光生載流子，短波信號將完全不會被探測到。光子能量在N型過濾層和N型吸收層材料帶隙之間的紫外線，將穿透N型短波過濾層和N型勢壘層進入N型吸收層，形成電流信號被肖特基電極收集。同時光生載流子只會受到N型勢壘層和N型吸收層界面之間的界面態影響，能夠減小表面態對光生載流子的複合，進而提高探測器的量子效率。探測器探測的波段和帶寬由N型短波過濾層和N型吸收層的材料組份決定，通過調節組份配比，可以獲得不同波段和帶寬的窄帶通探測器。為了驗證本發明在短波段的抑制比效果，現選取三種參數下的紫外探測器，詳細參數見下表所示的實施例一、實施例二和實施例三。對三種參數下的紫外探測器光譜響應強度進行測試，然後與傳統結構的紫外探測器的光譜響應結果對比，結果如圖3所示。由圖3可知，本發明在短波段紫外線的抑制比上明顯優於傳統結構的紫外探測器。以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。