專利名稱：無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種將光信號轉換為電信號的銦鋁鎵氮/氮化鎵 (InAlGaN/GaN ) PIN光電探測器。
背景技術：
GaN基材料(即III-V族氮化物主要包括GaN, A1N, InN及其三元和四元合金固溶物)具有 寬直接帶隙，強化學鍵，耐高溫，抗腐蝕，高擊穿電場，高的電子飽和速率等特點，是制造 短波長高亮度發光器件，半導體激光器，紫外光探測器，和高溫，高頻微電子的理想材料。 又由于GaN基三元合金和四元合金禁帶寬度連續可調，其相對應的直接帶隙波段從可見光覆 蓋至紫外光。這使得GaN基在紫外光光電子器件方面的應用格外引人注目。
目前，紫外光電探測器一般采用AlGaN/GaN結構，因為AlGaN的禁帶寬度可從3.4ev 調節到6.2ev (Michael E. Levinshtein. Sergey L. Rumyantsev,先進半導體材料性能與手冊 [M]，化學工業出版社，2003)，其截止波長對應365 200nm，正對應紫外光區，但隨著AlGaN 中的Al組份增加，AlGaN和GaN之間的晶格失配變大，導致應力變大，又由于AlGaN具有 較小的晶格常數，在外延生長過程中，AlGaN會在生長平面的方向上擴張，當AlGaN的生長 厚度超過生長的臨界層厚度(施敏，半導體器件物理與工藝[M]，蘇州大學出版社，2002) 時，AlGaN外延層位錯密度會增大，而位錯密度增大會導致器件性能降低，因此以AlGaN/GaN 結構來做PIN探測器，其有源層的寬度會被限制在某一范圍內。
發明內容
本發明的目的在于針對現有的光電探測器存在應力等問題，提供一種無應變InAlGaN/ GaNPIN光電探測器。
本發明的技術方案是采用與GaN晶格相匹配的四元合金InAlGaN外延片作為有源層， 從根本上解決紫外光電探測器常出現的應變問題。
本發明設有藍寶石(A1203)襯底、GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAlN 層和p-GaN頂層，從下至上GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAIN層和p-GaN 頂層依次設在藍寶石(A1203)襯底上，在p-GaN頂層上設有p電極，在n-GaN層上設有n 電極。
最好GaN緩沖層的厚度為1 3pm， n-GaN層的厚度為1 3pm， i-InAlGaN光敏層的厚 度為100 400nm， p-InAlN層的厚度為50 400nm， p-GaN頂層的厚度為5 50nm。
p電極可采用Ni/Au金屬電極，Ni/Au金屬電極的厚度為(5 20) nm/ (5 20) nm; n 電極可采用Cr/Al/Au金屬電極，Cr/Al/Au金屬電極的厚度為(10 40) nm/ (10 40) nm/ (10 100) nm。
本發明可采用LP-MOCVD設備，高純H2、N2作為載氣，整個生長壓力控制在50 760Torr 下制備，其具體步驟如下
將(0001)取向的藍寶石襯底裝入反應器，在H2氣氛下加熱進行熱處理，接著降溫對襯 底進行氮化處理；在相同的溫度和壓力下生長低溫GaN緩沖層，接著升溫生長GaN層及慘 硅n-GaN層；降溫在N2氣氛下生長i-InAlGaN作為光敏層，接著在相同的溫度下再生長摻鎂 p-InAlN，最后升溫至生長的摻鎂p-GaN層作為歐姆接觸。外延片生長完成后在N2氣氛下退 火以激活p型雜質。
與現有的GaN基的PIN光電探測器相比，本發明的結構具有突出的優點，利用 LP-MOCVD生長四元合金InAlGaN作為PIN探測器的有源區，根據其材料特性，即禁帶寬 度和晶格常數可獨立變化，使其與GaN晶格常數相匹配，從而實現
1)器件的寬有源區；2)器件的高量子效率；3)材料的低位錯密度；4)器件的低瞎電流； 5)器件的高可靠性。
圖1為本發明實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發明設有藍寶石(A1203)襯底1、 GaN緩沖層2、 n-GaN層3、 i-InAlGaN光 敏層5、 p-InAIN層6和p-GaN頂層7，從下至上GaN緩沖層2、 n-GaN層3、 i-InAlGaN光 敏層5、 p-InAIN層6和p-GaN頂層7依次設在藍寶石(A1203)襯底1上，在p-GaN頂層7 上設有p電極8，在n-GaN層3上設有n電極4。
GaN緩沖層2的厚度為1 3pm, n-GaN層3的厚度為1 3pm, i-InAlGaN光敏層5的 厚度為100 400mn, p-InAIN層6的厚度為50 400nm， p-GaN頂層7的厚度為5 50nm。
p電極8采用Ni/Au金屬電極，Ni/Au金屬電極的厚度為(5 20) nm/ (5 20) nm; n 電極4采用Cr/Al/Au金屬電極，Cr/Al/Au金屬電極的厚度為(10 40) nm/ (10 40) nm/ (10 100) nm。
本發明可采用LP-MOCVD設備，高純H2、N2作為載氣，整個生長壓力控制在50 760Torr
下制備，其具體步驟如下
將(0001)取向的藍寶石襯底裝入反應器，反應室的壓力為50 400Torr，在Hz氣氛下 加熱至1080。C進行熱處理10min,接著降溫至500 600 'C對襯底進行60 150s的氮化處理； 在相同的溫度和壓力下生長30 40nm的低溫GaN緩沖層，接著升溫至1050'C生長厚度為2 U m的GaN層及厚度3 P m的摻硅n-GaN層；降溫至700 850。C在N2氣氛下生長0.4 ii m的 i-InAlGaN作為光敏層，接著在相同的溫度下再生長摻鎂的0.1 "m的p-InAlN，最后升溫至 1038 "C生長O.lum的摻鎂p-GaN層作為歐姆接觸。外延片生長完成后再在800 'CN2氣氛 下退火10min以激活p型雜質。
本發明的Ga、 In、 Al、 N、 Mg、 Si源分別為高純的三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、 三甲基鋁(TMA1)、氨氣(NH3)、 二茂鎂(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)。
生長GaN緩沖層的壓力為50 400Torr ，載氣流量為10 30slm，TMGa流量為12.5sccm， NH3流量為2slm。
生長GaN及n-GaN層的壓力為200Torr，載氣流量為5slm， TMGa流量為30sccm， NH3 流量為5slm， SiH4的流量為0.8sccm。
生長i-InAlGaN層的壓力為50 100Torr，載氣為N2或者Hb與&的混合氣，相應比為 1:500，流量為5slm, TMGa流量為65 U mol/min, TMA1流量為20 P mol/min, TMIn流量為15 P mol/min， NH3流量為2mol/min.。
生長p-InAlN層的壓力為50 100Torr，載氣流量為5slm， TMA1流量為32 y mol/min， TMln流量為68 u mol/min， NH3流量為6mol/min， Cp2Mg的流量為100sccm。
生長p-GaN層的壓力為100Torr，載氣流量為5slm， TMGa流量為15sccm， NH3流量為 4.2slm， Cp2Mg的流量為0.26slm。
生長與GaN晶格相匹配的外延片i-InAlGaN的摩爾分數分別為In: 0.049, Al: 0.219， Ga: 0.732，生長壓力為50 100Torr， p-InAlN的摩爾分數分別為In: 0.183， Al: 0.817，生長壓 力為50 100Torr。
器件的工藝流程可表示為材料生長一激活退火一濺射Al保護膜一光刻一ICP刻蝕臺面 —光刻一ICP刻蝕光敏面一n電極預處理一光刻一濺射Cr、 Al、 Au—剝離形成n電極一n電 極合金化一p電極預處理一光刻一濺射Ti、 Au—剝離形成p電極一p電極合金化一濺射Ni、 Au—剝離形成焊盤。
權利要求
1.無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于設有藍寶石襯底、GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAlN層和p-GaN頂層，從下至上GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAlN層和p-GaN頂層依次設在藍寶石襯底上，在p-GaN頂層上設有p電極，在n-GaN層上設有n電極。
2. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于GaN緩沖層 的厚度為1 3nm。
3. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于n-GaN層的 厚度為1 3pm。
4. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于i-InAlGaN光 敏層的厚度為100 400nm。
5. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于p-InAlN層的 厚度為50 400nm。
6. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于p-GaN頂層 的厚度為5 50nm。
7. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于p電極為Ni/Au 金屬電極。
8. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于Ni/Au金屬 電極的厚度為(5 20) nm/ (5 20) nm。
9. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于n電極為 Cr/Al/Au金屬電極。
10. 如權利要求1所述的無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，其特征在于Cr/Al/Au金 屬電極的厚度為(10 40) nm/ (10 40) nm/ (10 100) nm。
全文摘要
無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器，涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種將光信號轉換為電信號的銦鋁鎵氮/氮化鎵(InAlGaN/GaN)PIN光電探測器。提供一種無應變InAlGaN/GaN PIN光電探測器。設有藍寶石(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)襯底、GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAlN層和p-GaN頂層，從下至上GaN緩沖層、n-GaN層、i-InAlGaN光敏層、p-InAlN層和p-GaN頂層依次設在藍寶石(Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)襯底上，在p-GaN頂層上設有p電極，在n-GaN層上設有n電極。
文檔編號H01L31/105GK101188256SQ20071000995
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月10日 優先權日2007年12月10日
發明者劉寶林, 張保平, 毛明華 申請人:廈門大學