一種III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器制造技術

本發明專利技術公開了一種III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器。包括襯底及生長在襯底之上的外延層。外延層自下而上的順序依次為非故意摻雜氮化物緩沖層，非故意摻雜氮化物過渡層，重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層，非均勻摻雜p型氮化物有源層，p型摻雜氮化物層和重摻雜p型氮化物歐姆電極接觸層。本發明專利技術同時公開器件制備方法，包括：利用多次光刻及干法刻蝕制作器件邊緣的臺階，在所述的p型歐姆接觸層及n型歐姆接觸層分別蒸鍍p型及n型金屬電極，經過合金與半導體形成歐姆接觸。本器件結構增強了雪崩光電二極管有源區的電場強度，通過有效提高有源區場強、降低器件邊緣漏電流，實現氮化物雪崩光電探測器的低暗電流、高增益、高探測響應度性能。

A group III nitride semiconductor avalanche photodetector

The invention discloses a III nitride semiconductor avalanche photodetector. It includes a substrate and an epitaxial layer grown over the substrate. The epitaxial layer bottom-up order undoped nitride buffer layer, undoped nitride transition layer, heavily doped n type nitride electrode ohmic contact layer, non uniform light doped P type nitride active layer, P doped nitride layer and heavily doped P type nitride electrode ohmic contact layer. Including the present invention also discloses the preparation method of the device, using multiple lithography and dry etching device making edge contact layer deposition step, respectively P and N metal electrode in P type ohmic contact layer and the N type ohm, after forming ohmic contact between semiconductor and alloy. This device structure enhances the electric field intensity of avalanche photodiode active region, improve active region field, reduce leakage current of the device to achieve the edge nitride avalanche photodetector low dark current, high gain, high detection response performance.

【技術實現步驟摘要】
一種III族氮化物半導體雪崩光電探測器
本專利技術涉及一種探測器，尤其涉及一種基于III族氮化物半導體材料的低電流、雪崩光電探測器及其制備方法。技術背景隨著信息技術的高速發展，基于半導體的固態光電探測技術在現代光電信息探測領域中的地位越來越重要。以GaN基材料為代表的III族氮化物半導體(包括其二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN)具有禁帶寬度調節范圍寬、直接帶隙、電子遷移率高、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、熱導率高、介電常數較小、耐高溫、抗輻射性強、化學穩定性高等一系列特點，可通過調節三元或四元化合物的組分(帶隙)實現可見光至深紫外光范圍的探測，非常適合于制作高性能的固態光電探測器。目前，紫外探測器在火焰探測，環境監控，太空光通信，導彈預警系統，量子通信等軍事或民用領域上都有著廣泛的應用需求。相比于傳統的真空倍增管與硅探測器，基于III族氮化物半導體的光電探測器具有量子效率高、耐高溫、耐腐蝕，抗輻照、重量輕、壽命長、抗震性、工作電壓低好等優點，成為當前光電探測領域內研究和開發的熱點。光電探測器主要分為光電導型和光伏型，其中光伏型光電二極管又包括非增益型的肖特基勢壘型、p-i-n結型光電二極管和具有內部增益的雪崩光電二極管(APD)等類型的器件；而基本結構是p-i-n結的APD探測器是目前最具優勢的III族氮化物光電探測器，具有工藝簡單，內部增益大，響應速度快，靈敏度高等優點，是可實現微弱光信號探測的優選高性能光電探測器。對于以p-i-n結為基本結構的III族氮化物雪崩光電二極管，器件內部的高電場集中分布在i層，電場強度的調控主要通過調節p型層、n型層的載流子濃度及i層的厚度來實現。為了增強有源層i層的電場強度，需要提高p型層中或是n型層中的載流子濃度，又或是減少i層的厚度。對于III族氮化物，p型層的空穴濃度由于受到離化能高和強自補償效應的影響，難以達到5×1018cm-2以上；n型層的電子濃度相對容易提高，但實現1019cm-2以上的電子濃度所需的高施主摻雜會導致氮化物外延晶體質量劣化；而減小i層厚度則會損失光吸收，導致量子效率降低。因此，通過p型、n型層中載流子濃度和i層厚度調控電場的空間有限，需要發展其它方法進行場強改善。另一方面，雪崩光電探測器在其p-i結界面與i-n結界面處中存在著強電場，其中p-i結處電場最強，i-n結處電場次之，特別是器件邊緣由于刻蝕損傷等因素使其表面態密度較高，因此在器件p-i結與i-n結的邊緣處極易因電場強度過高而引發提前擊穿，同時也會因側壁的表面缺陷而導致漏電流增大等問題。傳統上，對于雪崩光電探測器的邊緣提前擊穿，一般是采用保護環和傾斜臺面結構來進行抑制。(參見文獻：[1]FOsaka,KNakazima,T.Kaneda,T.Sakurai,andN.Susa,“InP/InGaAsPavalanchephotodiodeswithnewguardringstructure”ElectronicsLetters,vol.52,pp.716-717,1980；[2]ArianeL.Beck,BoYang,XiangyiGuo,andJoyC.Campbell,“EdgeBreakdownin4H-SiCAvalanchePhotodiodes”IEEEJ.QuantumElectron,vol.40,pp.321-324,2004.)其中，保護環結構需要采用離子注入工藝在器件臺型結構的外圈進行局部摻雜來實現，所需設備昂貴，且摻雜離子注入的深度、寬度均需精確控制。對于III族氮化物半導體，由于離子注入工藝的相關研究很少，當前采用該工藝的實施難度更大。而傾斜臺面結構，則主要是利用刻蝕的方法，在器件臺型側面制作出特定方向的斜臺結構，使得探測器件高電場區在器件表面的面積較之器件內部的截面積大，在相同的偏壓下，側面電場更小，以此避免邊緣電場聚集，減少暗電流。然而，由于化合物半導體的刻蝕技術對刻蝕取向不易操控(包括干法或濕法刻蝕)，使得制作傾斜臺型側壁的工藝難度較高。此外，為了有效降低邊緣電場強度，需要盡量減小側壁的傾斜度，使得器件的有效光接收面積占器件整體面積的比例大大減小。也就是說，傾斜臺面結構的方法也存在著制作工藝難度大，降低器件填充因子的缺點。因此，為了進一步提高III族氮化物雪崩光電二極管的器件性能，需要發展更為優化的邊緣電場抑制結構。
技術實現思路
本專利技術針對現有技術中存在的不足，提出了一種基于III族氮化物半導體材料的雪崩光電探測器及其制備方法，目的在于增強器件有源區(倍增層)內的電場強度，在較低的工作偏壓下產生較高的雪崩增益；同時通過雙重抑制，降低器件邊緣相對于中央部過高的電場強度，從而減少表面漏電流、防止邊緣提前擊。為了實現上述目的，本專利技術包括如下技術特征：一種III族氮化物半導體雪崩光電探測器，該器件至少包括襯底及利用金屬有機化學氣相沉積外延外生長法(或分子束外延生長法)依次生長在襯底上的緩沖層、過渡層、重摻雜n型氮化物歐姆接觸層、非均勻p型摻雜氮化物有源層、p型摻雜氮化物層，重摻雜p型氮化物歐姆接觸層，以及位于n型歐姆接觸層上的n型歐姆接觸電極和位于p型層上的p型歐姆接觸電極。本專利技術的另外一個目的是提供一種低暗電流、低工作電壓、高增益的III族氮化物半導體雪崩光電探測器的制備方法，優選地，包括以下步驟：(1)利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法在襯底上依次生長緩沖層、過渡層、重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層、非均勻p型摻雜有源層，p型摻雜氮化物層，重摻雜p型歐姆電極接觸層結構。(2)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作器件n型歐姆接觸面。(3)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作有源層邊緣的電場分布限制臺階。(4)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作p型氮化物摻雜層邊緣的電場分布限制臺階。(5)三次刻蝕后，進行表面處理，修復刻蝕的晶格損傷；熱退火，對p型氮化物摻雜層的受主進行活化，同時修復刻蝕引入的晶格損傷。(7)采用光刻圖形刻出n型歐姆接觸區域，利用電子束蒸發或濺射方法蒸鍍n型金屬，利用快速退火在氮氣環境中合金形成n型歐姆接觸。(8)采用光刻圖形刻出p型歐姆接觸區域，利用電子蒸發方法或濺射方法蒸鍍p型金屬，利用快速退火合金形成p型歐姆接觸。本技術專利技術針對III族氮化物雪崩光電二極管器件結構中制約器件性能的關鍵點進行了改進，具有結構和制作工藝簡單的優點。從工作原理上看，雪崩光電二極管的內部高光電增益是由高電場作用下的載流子(電子和空穴)碰撞晶格原子發生電離產生的。因此，雪崩光電探測器是電場作用器件，而利用較小的工作偏壓產生較高的電場強度是器件設計與制作中關鍵的一環。另一方面，對于雪崩光電二極管在制作過程中需要通過刻蝕工藝分離晶圓上各個器件的有源區；對于III族氮化物半導體光電二極管探測器，則通常需要通過刻蝕工藝露出外延結構下層的歐姆接觸層、分離晶圓上各個器件的有源區，形成垂直結構。由刻蝕形成的邊緣在器件結構和表面電荷的作用下，其電場強度要顯著高于器件中央部位(體區部分)的電場強度，程度嚴重的情況下會導致邊緣本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種III族氮化物半導體材料(包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN)雪崩光電二極管探測器，其特征在于：器件包括襯底(101)，利用外延生長法，如分子束外延或金屬有機化學氣相沉積外延法，依次生長在襯底(101)上的緩沖層(102)，過渡層(103)，重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層(104)，非均勻摻雜p型氮化物有源層(105)，p型摻雜氮化物層(106)，重摻雜p型氮化物歐姆接觸層(107)，有源層(105)邊緣的電場限制臺階(108)，p型摻雜層106邊緣的電場限制臺階(109)，用于制作在n型層上的n型歐姆接觸電極(110)，用于制作于p型層上的p型歐姆接觸電極(111)。

【技術特征摘要】
1.一種III族氮化物半導體材料(包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN)雪崩光電二極管探測器，其特征在于：器件包括襯底(101)，利用外延生長法，如分子束外延或金屬有機化學氣相沉積外延法，依次生長在襯底(101)上的緩沖層(102)，過渡層(103)，重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層(104)，非均勻摻雜p型氮化物有源層(105)，p型摻雜氮化物層(106)，重摻雜p型氮化物歐姆接觸層(107)，有源層(105)邊緣的電場限制臺階(108)，p型摻雜層106邊緣的電場限制臺階(109)，用于制作在n型層上的n型歐姆接觸電極(110)，用于制作于p型層上的p型歐姆接觸電極(111)。2.根據權利要求1所述的III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器，其特征在于，所述的重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層(104)厚度為0.3-3μm，層中的電子濃度為1×1018cm-3-1×1019cm-3。3.根據權利要求1所述的III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器，其特征在于，所述的非均勻摻雜p型有源層(105)的厚度為0.1-0.3μm，其非均勻摻雜從上至下由高濃度降至低濃度，呈線性變化或高斯函數變化，層中空穴濃度變化范圍為5×1015cm-3-1×1017cm-3。4.根據權利要求1所述的III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器，其特征在于，所述的p型摻雜氮化物層(106)的厚度為30-300nm，層中空穴濃度為3×1017cm-3-5×1018cm-3。5.根據權利要求1所述的III族氮化物半導體雪崩光電二極管探測器，其特征在于，所述的重摻雜p型歐姆電極接觸層(107)的厚度為5-12nm，層中受主摻雜濃度為1×1019cm-3-1×1020cm-3。6.根據權利要求1所述的III族氮化物半導體雪崩光電探測器，其特征在于，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江灝，羅睿宏，李順峰，
申請(專利權)人：江蘇華功第三代半導體產業技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32