三族氮化物基光電電晶體探測器件及其製作方法
2023-04-30 11:50:36
專利名稱：三族氮化物基光電電晶體探測器件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種三族氮化物基光電電晶體探測器件及其製作方法。
背景技術：
三族氮化物材料具有直接帶隙、電子飽和速率高、發光效率高、熱導性能好、化學性質穩定、物理硬度大、介電常數小以及耐高溫等特點，使其成為製備光電探測器件的重要半導體材料。同時，三族氮化物彼此之間可以形成多元合金材料，通過調節多元合金組分可以實現從紫外到近紅外波段的光電探測。正是由於三族氮化物材料具有上述這些特點，最近幾十年裡三族氮化物技術得到了快速發展，製備出了一系列性能良好的光電探測器件，如光電導器件、肖特基管、雪崩光電二極體以及光電電晶體等。
就目前的技術而言，相對於其它光電探測器件，三族氮化物光電電晶體探測器可在較低的偏壓下(一般在10 V以下)下獲得較高的增益，同時製備器件所要求的晶體質量相對容易實現，器件工作的可靠性也相對較高。這些優點使得三族氮化物光電電晶體探測器成為近些年半導體光電探測器的熱點，特別是紫外光電探測器研究領域的關注點之一。1998 年，美國 APA 公司的 Wei Yang 等人在文章 High gain GaN/AlGaN heterojunctionphototransistor (1998 年 8 月 Applied Physics Letters, Vol. 73,No. 7)中，報導了具有高增益的背入射式GaN基紫外光電電晶體探測器的成功研製。該光電電晶體是一種光線背入射的結構，而採用背入射的方式需要(1).選用對入射光透明的襯底；(2).在襯底上先生長禁帶寬度更大的三族氮化物或其多元合金材料作為窗口層。這種外延結構在襯底的採用上僅限於可透射紫外光的襯底。此外，其外延生長從襯底界面開始就需要沉積更寬帶隙的合金材料，對生長技術要求高，而且難以保證材料的晶體質量。2001年，日本大阪氣體公司的 Robert Mouillet 等人在文章 Photoresponse and Defect Levels of AlGaN/GaNHeterobipolar Phototransistor Grown on Low-Temperature AlN Interlayer (Jpn. J.AppI. Phys, Vol. 40, pp. L498-L501)中介紹了正入射的方式的AlGaN/GaN異質結紫外光電探測器，但是由於基極(P-GaN)以上結構採用的是相同禁帶寬度的n-GaN材料作為集電極端，因此器件的光吸收效率和光生載流子產生效率都會受到影響。而在M. L. Lee等人在 2008 年的 Ultraviolet bandpass Al0.17Ga0.83N/GaN hetero junction phototransitorswith high optical gain and high rejection ratio (Applied Physics Letters,Vol. 92，053506)研究中，雖然採用正入射方式並設置了寬禁帶寬度的AlGaN材料作為窗口層，改善了入射光的吸收，但是其基本結構是發射極端光入射，入射光需穿過次發射極U+-GaN)和發射極(n-Al. 17Gaa 83N)而到達基極和集電極，因此減弱了器件對光信號的響應。同時，該結構中發射極AlGaN能帶與基極GaN能帶之間的帶階較大,不利於光生載流子在器件內部的輸運。另一方面，總結當前GaN基光電電晶體探測器的研究報導，其工作都是集中在器件的光入射結構和工作原理上，對n-p-n型光電電晶體製備中一個不容忽視的問題，即P型基極的受主摻雜(通常採用Mg)所帶來的記憶效應沒有採取解決措施，因而會影響後續外延結構的生長。
發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的提供一種低缺陷密度、工作電壓低、增益高、暗電流低、探測靈敏度高的三族氮化物基光電電晶體探測器件；同時，本發明還提供了所述三族氮化物基光電電晶體探測器件的製作方法。為實現上述目的，本發明的主要技術方案為一種三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，由下往上依次包括襯底、緩衝層或過渡層、非故意摻雜層、施主摻雜層、第二非故意摻雜層、受主摻雜層、受主與施主共摻雜層、第三非故意摻雜層、合金組分漸變層、較大禁帶寬度材料的施主摻雜層以及接觸層。襯底為藍寶石襯底、碳化矽襯底、三族氮化物襯底、矽襯底、砷化鎵襯底、鋁酸鋰襯底、鎵酸鋰襯底、氧化鎂襯底；緩衝層或過渡層為低溫或者高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於5nm到500nm之間。非故意摻雜層為高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於O. Ium到5um 之間；
第二非故意摻雜層為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金,作為三族氮化物基光電電晶體的次發射極；
第三非故意摻雜層為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，作為三族氮化物基光電電晶體的光吸收層。施主摻雜層，作為三族氮化物基光電電晶體的發射極，其為O. Ium到3um厚的施主型摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於IXIO17至IX 102°cm_3之間。受主摻雜層，作為三族氮化物基光電電晶體的基極，其為O. Ium到Ium厚的受主型摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於IXIO16至I X IO19CnT3之間。受主與施主共摻雜層，其為5nm到500nm厚的受主與施主共摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於IXIO16至IXIO19CnT3之間，施主摻雜濃度介於IXIO17至I X IO2tlCnT3之間，受主摻雜濃度比施主摻雜濃度高。合金組分漸變層為5nm到150nm厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，其組分從第三非故意摻雜層的合金組分逐漸變化至較大禁帶寬度材料的施主摻雜層的合金組分，組分的漸變形式為線性的或非線性的。較大禁帶寬度材料的施主摻雜層的禁帶寬度較第三非故意摻雜層大；較大禁帶寬度材料的施主摻雜層的厚度介於20nm到500nm之間，施主摻雜濃度介於I X IO17至lX102°cm_3之間；較大禁帶寬度材料的施主摻雜層為三族氮化物基光電電晶體的集電極，與可透射光信號的窗口層。接觸層為5nm到IOOnm厚的施主型重摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於I X IO17至I X 102°cm_3之間，其施主摻雜濃度較施主摻雜層以及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層高。同時，本發明還提供一種三族氮化物基光電電晶體探測器件的製作方法，在襯底上採用外延生長方法依次生長出所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件的外延結構，夕卜延生長方法採用金屬有機物化學氣相沉積、分子束外延以及氫化物氣相外延，具體包括以下步驟(1)將襯底置於反應腔內；
(2)在襯底上低溫或者高溫生長緩衝層或過渡層；
(3)在緩衝層或過渡層上高溫生長非故意摻雜層；
(4)在非故意摻雜層上依次生長施主摻雜層、第二非故意摻雜層及受主摻雜層,施主摻雜層、第二非故意摻雜層及受主摻雜層構成三族氮化物基光電電晶體的第一個Pn結；其中，施主摻雜層作為電晶體的發射極，第二非故意摻雜層作為電晶體的次發射極，受主摻雜層作為電晶體的基極；
(5)在受主摻雜層上生長受主與施主共摻雜層；
(6)受主與施主共摻雜層生長結束後，停止通入三族源5s至1800s， 期間保持五族N源持續通入；
(7)在受主與施主共摻雜層上依次生長第三非故意摻雜層、合金組分漸變層及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層；其中，第三非故意摻雜層作為電晶體的光吸收層，較大禁帶寬度材料的施主摻雜層為三族氮化物基光電電晶體的集電極，與可透射光信號的窗口層；受主摻雜層、受主與施主共摻雜層、非故意摻雜層、合金組分漸變層及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層構成三族氮化物基光電電晶體的第二個Pn結；
(8)在較大禁帶寬度材料的施主摻雜層上生長接觸層。與現有技術相比，本發明的三族氮化物基光電電晶體探測器件的結構，具有以下優點(1).設置光透射窗口層以及採用正入射的器件工作方式，改善入射光的吸收；(2).利用受主與施主共摻雜以及中斷生長方法，改善P型層界面的陡峭性，提高晶體質量，減少缺陷，從而有利於降低暗電流、提高光電轉換效率；(3).在發射極與基極，以及基極與集電極之間插入非故意摻雜層，加強光生載流子的收集，有助於提高器件的增益；(4).通過引入合金組分漸變層，使異質結之間帶的階平緩過渡，增強光生載流子在器件內部的輸運。綜上所述，本發明可使得光電探測器件在低工作電壓下可以實現高增益、低暗電流以及高靈敏度。
圖I為本發明實施例I的結構示意 圖2為本發明實施例2的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。實施例I
該三族氮化物基光電電晶體結構如圖I所示襯底101、緩衝層或過渡層102、非故意摻雜層103、施主摻雜層104、非故意摻雜層105、受主摻雜層106、受主與施主共摻雜層107、非故意摻雜層108、合金組分漸變層109、較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110以及接觸層111。該光電電晶體為n-i-p-i-n型，集電極在上，發射極在下，基極位於中間，採用正入射的方式。實現該結構共有十二個步驟
(I).將襯底101置於反應腔內，在襯底上採用外延生長方法依次生長出上述外延結構。外延生長方法可以採用諸如金屬有機物化學氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)以及氫化物氣相外延(HVPE)等方法。襯底101可以選用藍寶石襯底、碳化矽襯底、三族氮化物襯底、矽襯底、砷化鎵襯底、鋁酸鋰襯底、鎵酸鋰襯底、氧化鎂襯底或其它適用於三族氮化物外延生長的襯底。(2).由於目前三族氮化物與 異質襯底的晶格失配較大，因此需要使用緩衝層或過渡層的技術來解決三族氮化物與襯底的失配問題。緩衝層或過渡層102為低溫或者高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於5nm到500nm之間。(3).非故意摻雜層103可以有效減少缺陷密度，促進材料的二維生長，使得材料表面儘可能平整，提供為後續生長器件外延結構服務的模板。非故意摻雜層103為高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於O. Ium到5um之間。(4).施主摻雜層104，作為三族氮化物基光電電晶體的發射極，其為O. Ium到3um厚的施主型摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於I X IO17至IX 102°cm_3之間。(5).非故意摻雜層105為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，作為三族氮化物基光電電晶體的次發射極。(6).受主摻雜層106，作為三族氮化物基光電電晶體的基極，其為O. Ium到Ium厚的受主型摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於IXIO16至IXIO19CnT3之間。施主摻雜層104、非故意摻雜層105以及受主摻雜層106構成三族氮化物基光電電晶體的第一個pn結。(7).受主與施主共摻雜層107，其為5nm到500nm厚的受主與施主共摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於IXIO16至IXIO19CnT3之間，施主摻雜濃度介於IX IO17至IX 102°cm_3之間，受主摻雜濃度比施主摻雜濃度高。該受主與施主共摻雜層107，利用施主摻雜元素表面遷移能力強的特點，提高晶體質量，減弱受主摻雜層106對後續結構生長的影響。(8).受主與施主共摻雜層107生長結束後，停止通入三族源5s至1800s，期間保持五族N源持續通入。該生長中斷過程可以減弱受主摻雜元素的記憶效應，同時也可以抑制外延層位錯的攀沿。(9).非故意摻雜層108為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，作為三族氮化物基光電電晶體的光吸收層。(10).合金組分漸變層109為5nm到150nm厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，其組分從非故意摻雜層108的合金組分逐漸變化至較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110的合金組分，組分的漸變形式可以是線性的，也可以是非線性的。該組分漸變層的引入，可使非故意摻雜層108與較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110之間的帶階平緩過渡，有利於光生載流子的輸運。(11).較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110，無論是何種三族氮化物或其多元合金，以及何種組分，只要其禁帶寬度較非故意摻雜層108大即可。該層的厚度介於20nm到500nm之間，施主摻雜濃度介於I X IO17至I X 102°cm_3之間。較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110即是三族氮化物基光電電晶體的集電極，也是可透射光信號的窗口層。之所以該層需要選用較大禁帶寬度的材料，是為了避免集電極，即較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110，對入射光信號的吸收，使光信號可入射到光吸收層即非故意摻雜層108中。受主摻雜層106、受主與施主共摻雜層107、非故意摻雜層108、合金組分漸變層109以及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110構成三族氮化物基光電電晶體的第二個pn結。(12).接觸層111為5nm到IOOnm厚的施主型重摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於IX IO17至IX 102°cm_3之間，其施主摻雜濃度較施主摻雜層104以及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層110高。該接觸層有利於形成金屬電極與半導體材料的歐姆接觸。實施例2
本實施例將具體說明圖I所示的三族氮化物基光電電晶體結構，該光電電晶體結構為n-i-p-i-n型,採用正入射的形式。如圖2所不,米用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)的外延生長方法,在c面藍寶 石襯底201上依次生長緩衝層202、非故意摻雜GaN層203、施主Si摻雜GaN層204、非故意摻雜GaN層205、受主Mg摻雜GaN層206、受主Mg與施主Si共摻雜GaN層207、非故意摻雜GaN層208、Al組分漸變AlGaN層209、施主Si摻雜Ala22Gaa78N層210以及施主Si重摻雜GaN層211。根據該三族氮化物基光電電晶體的結構，可以分為十個功能結構，下面將分別描述每一個功能結構。(I).在藍寶石襯底201上生長緩衝層202以及非故意摻雜GaN層203，作為後續生長器件外延結構服務的模板。其中，緩衝層202為低溫生長25 nm厚的GaN層，非故意摻雜GaN層203為高溫生長2. 5um厚的GaN層。(2).施主Si摻雜GaN層204，作為三族氮化物基光電電晶體的發射極，其為Ium厚的Si摻雜GaN，施主摻雜濃度為3X 1018cnT3。(3).非故意摻雜GaN層205為IOOnm厚的非故意摻雜GaN，作為三族氮化物基光電電晶體的次發射極。(4).受主Mg摻雜GaN層206，作為三族氮化物基光電電晶體的基極，其為200nm厚的Mg摻雜GaN，受主摻雜濃度為6 X IO17 cm_3。施主Si摻雜GaN層204、非故意摻雜GaN層205以及受主Mg摻雜GaN層206構成三族氮化物基光電電晶體的第一個pn結。(5).受主Mg與施主Si共摻雜GaN層207，其為IOOnm厚的Mg與Si共摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度為4 X IO17 cm_3，施主摻雜濃度為2 X IO17 cm_3。該受主Mg與施主Si共摻雜GaN層207，利用施主Si摻雜元素表面遷移能力強的特點，提高晶體質量，減弱受主Mg摻雜層206對後續結構生長的影響。(6).受主Mg與施主Si共摻雜GaN層207生長結束後，停止通入三族源900s，期間保持五族N源持續通入。該生長中斷過程可以減弱受主Mg摻雜元素的記憶效應，同時也可以抑制外延層位錯的攀沿。(7).非故意摻雜GaN層208為200nm厚的非故意摻雜GaN，作為三族氮化物基光電電晶體的光吸收層。(8). Al組分漸變AlGaN層209為30nm厚的非故意摻雜AlGaN，Al組分從開始的0%線性增加到22%。該組分漸變層的引入，可使非故意摻雜GaN層208與施主Si摻雜Ala22Gaa78N層210之間的帶階平緩過渡，有利於光生載流子的輸運。(9).施主 Si 摻雜 Ala22Gaa78N 層 210 為 Al 組分為 22%、150nm 厚的 Si 摻雜 AlGaN,施主摻雜濃度為I X 1018cm_3。施主Si摻雜Ala22Gaa78N層210即是三族氮化物基光電電晶體的集電極，也是光信號入射窗口層。施主Si摻雜Ala22Gaa78N層210具有比非故意摻雜GaN層208更寬的帶隙，可以避免其對需要探測波段的光吸收，有利於非故意摻雜GaN層208對光的收集。受主Mg摻雜GaN層206、受主Mg與施主Si共摻雜GaN層207、非故意摻雜GaN層208、Al組分漸變AlGaN層209以及施主Si摻雜Ala22Gaa78N層210構成三族氮化物基光電電晶體的第二個Pn結。(10).施主Si重摻雜GaN層211為30nm厚的Si摻雜GaN，施主摻雜濃度為 5X 1018cm_3o該施主Si重摻雜GaN層211作為一種接觸層,有利於形成金屬電極與半導體材料的歐姆接觸。
權利要求
1.ー種三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在幹，由下往上依次包括襯底(101 )、緩衝層或過渡層(102)、非故意摻雜層(103)、施主摻雜層(104)、第二非故意摻雜層(105)、受主摻雜層(106)、受主與施主共摻雜層(107)、第三非故意摻雜層(108)、合金組分漸變層(109)、較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)以及接觸層(111)。
2.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，襯底(101)為藍寶石襯底、碳化矽襯底、三族氮化物襯底、矽襯底、神化鎵襯底、鋁酸鋰襯底、鎵酸鋰襯底、氧化鎂襯底；緩衝層或過渡層(102)為低溫或者高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於5nm到500nm之間。
3.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，非故意摻雜層(103)為高溫生長的三族氮化物或其多元合金，其厚度介於O. Ium到5um之間； 第二非故意摻雜層(105)為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，作為三族氮化物基光電電晶體的次發射極； 第三非故意摻雜層(108)為O. Ium到Ium厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，作為三族氮化物基光電電晶體的光吸收層。
4.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，施主摻雜層(104)，作為三族氮化物基光電電晶體的發射極，其為O. Ium到3um厚的施主型摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於IX IO17至IX 102°cm_3之間。
5.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，受主摻雜層(106)，作為三族氮化物基光電電晶體的基極，其為O. Ium到Ium厚的受主型摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於I X IO16至I X IO19CnT3之間。
6.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，受主與施主共摻雜層(107)，其為5nm到500nm厚的受主與施主共摻雜三族氮化物或其多元合金，受主摻雜濃度介於I X IO16至I X IO19CnT3之間，施主摻雜濃度介於I X IO17至I X 102°cm_3之間，受主摻雜濃度比施主摻雜濃度高。
7.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，合金組分漸變層(109)為5nm到150nm厚的非故意摻雜三族氮化物或其多元合金，其組分從第三非故意摻雜層(108)的合金組分逐漸變化至較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)的合金組分，組分的漸變形式為線性的或非線性的。
8.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)的禁帶寬度較第三非故意摻雜層(108)大；較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(Iio)的厚度介於20nm到500nm之間，施主摻雜濃度介於I X IO17至lX102°cm_3之間；較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)為三族氮化物基光電電晶體的集電極，與可透射光信號的窗ロ層。
9.根據權利要求I所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件，其特徵在於，接觸層(111)為5nm到IOOnm厚的施主型重摻雜三族氮化物或其多元合金，施主摻雜濃度介於I X IO17至I X IO20Cm-3之間，其施主摻雜濃度較施主摻雜層(104)以及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)高。
10.ー種三族氮化物基光電電晶體探測器件的製作方法，在襯底(101)上採用外延生長方法依次生長出權利要求I至9任一項所述的三族氮化物基光電電晶體探測器件的外延結構，外延生長方法採用金屬有機物化學氣相沉積、分子束外延以及氫化物氣相外延，具體包括以下步驟 (1)將襯底(101)置於反應腔內； (2)在襯底(101)上低溫或者高溫生長緩衝層或過渡層(102); (3)在緩衝層或過渡層(102)上高溫生長非故意摻雜層(103); (4)在非故意摻雜層(103)上依次生長施主摻雜層(104)、第二非故意摻雜層(105)及受主摻雜層(106)，施主摻雜層(104)、第二非故意摻雜層(105)及受主摻雜層(106)構成三族氮化物基光電電晶體的第一個Pn結；其中，施主摻雜層(104)作為電晶體的發射極，第二非故意摻雜層(105)作為電晶體的次發射扱，受主摻雜層(106)作為電晶體的基極； (5 )在受主摻雜層(106 )上生長受主與施主共摻雜層(107 ); (6)受主與施主共摻雜層(107)生長結束後，停止通入三族源5s至1800s，期間保持五族N源持續通入； (7)在受主與施主共摻雜層(107)上依次生長第三非故意摻雜層(108)、合金組分漸變層(109)及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110);其中，第三非故意摻雜層(108)作為電晶體的光吸收層，較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)為三族氮化物基光電電晶體的集電極，或為可透射光信號的窗ロ層；受 主摻雜層(106)、受主與施主共摻雜層(107)、非故意摻雜層(108)、合金組分漸變層(109)及較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)構成三族氮化物基光電電晶體的第二個Pn結； (8 )在較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)上生長接觸層(111)。
全文摘要
本發明公開一種三族氮化物基光電電晶體探測器件及其製作方法，光電電晶體探測器件由下往上依次包括襯底(101)、緩衝層或過渡層(102)、非故意摻雜層(103)、施主摻雜層(104)、第二非故意摻雜層(105)、受主摻雜層(106)、受主與施主共摻雜層(107)、第三非故意摻雜層(108)、合金組分漸變層(109)、較大禁帶寬度材料的施主摻雜層(110)以及接觸層(111)。本發明具備低缺陷密度、工作電壓低、增益高、暗電流低、探測靈敏度高等優點。
文檔編號H01L31/0352GK102820368SQ20121031448
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者江灝, 陳英達, 樂廣龍 申請人:中山大學