Pt/p-GaN/AlGaN异质结紫外探测器及其制备方法与流程

pt/p-gan/algan异质结紫外探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电技术领域，尤其是一种基于pt/p-gan/algan异质结紫外光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.紫外辐射作为一种非照明用的辐射源，是波长介于10～400 nm 的高能电磁辐射，在自然界和生活中随处可见（能量为 3～124 ev）。其中波长低于280 nm的紫外光被大气层臭氧和氧气强散射和吸收，此波段的紫外光在近地表面几乎不存在，从而在地球表面形成了太阳辐射的一个盲区，这一盲区被称为“日盲”波段，而用于探测日盲波段紫外线的探测器则被称为“日盲紫外探测器”。基于日盲波段的紫外探测器背景噪声微弱，具有误警率低、抗干扰能力强、信号处理简单等显著优势，日盲紫外探测器在保密通信、导弹预警、电晕检测、火灾监测等民用与军事领域具有广泛的应用前景。目前，应用于日盲紫外探测领域的主流器件是光电倍增管(pmt)和si基半导体紫外探测器光电倍增管具有稳定性高、响应速度快、电流增益大等优点，但作为真空器件，其具有体积大、真空易碎、价格高、寿命短等显著缺点。与光电倍增管相比，基于半导体材料的固态紫外探测器具有体积小、量子效率高、功耗低、便于集成等优势。其中si基半导体探测器由于生产制备工艺成熟最为常见，由于si材料的禁带宽度仅为1.12 ev，吸收波长不仅包括日盲紫外波段，还包括可见盲、可见以及红外波段。为了避免误警的发生，将其用于日盲紫外探测时需要配合复杂的滤光系统，导致应用成本增加，应用前景受限。
3.algan 材料通过al组分的变化(从0到1)，其禁带宽度可从3.4 ev 连续调节至6.2 ev，响应波段从365 nm 覆盖到200 nm，覆盖日盲紫外波段。因此 algan 材料是制备半导体固态日盲紫外探测器的优选材料。algan基日盲紫外探测器由于其本征吸收位于日盲紫外波段，因此具有体积小、效率高、无需外加滤波系统等优势，被认为是最有望取代光电倍增管的半导体探测器。常规algan 日盲紫外探测器内部不存在电流增益机制，因此器件响应度较低，对微弱紫外光信号(如单光子信号)的探测能力较弱。本发明旨在利用algan材料特性，通过器件结构设计，研制出具有内部增益的高响应度algan日盲紫外探测器。
4.双波段甚至多波段检测往往会增强探测器的自适应性。此外，在短距离非视线光通信系统中，双波段光电探测器比窄带的探测器有更高的通信容量。文献描述了利用石墨烯与gan/algan基材料结合形成肖特基-pin异质结结构，实现了可正背照射工作、高响应率、双波段可变工作模式的紫外探测器，但目前还未有pt与gan/algan基材料结合形成肖特基-pin异质结结构的探测器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于pt/p-gan/algan异质结紫外探测器及其制备方法。
6.基于pt/p-gan/algan异质结紫外光电探测器，其特征在于器件采用台面结构，下
台面采用n
-algan材料，在其表面分别沉积ti、al、ni和au形成欧姆接触的多层金属下电极，上台面采用p-gan材料，在其上表面沉积金属pt，不退火形成肖特基接触的上电极，形成肖特基-pin复合异质结结构。
7.所述的台面结构采用反应离子刻蚀gan/algan晶体材料使n
-algan层暴露出表面。
8.所述的下n电极由金属ti、al、ni和au沉积在gan/algan材料的n
-algan电极层表面并经550℃，n2气氛下快速退火，形成欧姆接触的电极。
9.所述的上电极由金属pt沉积在p-gan层上表面形成肖特基接触的电极。
10.基于pt/p-gan/algan复合异质结的紫外光电探测器的制备方法，其特征在于包括以下的步骤：p-gan/algan台面结构的刻蚀、生长多层金属ti/al/ni/au下电极、sio2/sin2钝化层的沉积以及p-gan上表面pt上电极的沉积，具体步骤如下：步骤1，p-gan/algan台面刻蚀：通过光刻和刻蚀工艺使p-gan/algan晶体材料的n
-al
0.55
ga
0.45
n层露出表面，形成台面结构,台面上表面为p-gan层，用丙酮溶解并除去图形化光刻胶层；步骤2，ti/al/ni/au金属的沉积: 以特定图形化光刻胶层为掩膜，通过金属沉积工艺在p-gan/algan材料的n
-al
0.55
ga
0.45
n层表面依次沉积ti、al、ni和au，形成多层金属，用丙酮去除图形化光刻胶层剥离电极图形外的金属并清洗；步骤3，下电极的形成：把器件放入550℃的n2中进行快速退火处理，多层金属与n
-al
0.55
ga
0.45
n形成欧姆接触，金属层为下电极；步骤4，钝化层的沉积:通过电感耦合等离子体化学气相沉积设备在器件上沉积厚度分别为100 nm的sio2和200 nm的sin2钝化层；步骤5，上电极开口: 以特定图形化光刻胶层为掩膜，通过刻蚀工艺，对器件台面上表面的钝化层进行刻蚀，使p-gan暴露出表面，去除图形化光刻胶层；步骤6, 上电极的沉积:以特定图形化光刻胶层为掩膜，采用金属沉积工艺，在p-gan上表面沉积金属pt，去除图形化光刻胶层。
11.与目前基于algan日盲紫外光电探测器的技术方案相比，本发明用在上台面的p-gan层上表面沉积功函为5.36 ev金属pt，取代了传统的algan基pin器件沉积在p-gan层上表面ni/au、ti/al/au多层金属上电极，制备了肖特基-pin异质结结构，具有区别于传统肖特基结构和pin结构器件的光电性能。根据偏置电压的改变，其工作模式可以在日盲紫外光伏到日盲光导探测器模式之间进行转换。当偏置电压为负时，器件为日盲紫外光伏探测器，可以实现1.0
×
10
13 jones的探测率和大于50%的外量子效率（eqe），正偏置电压工作时，器件工作模式为光导，外量子效率可达4500%，探测率达到5
ꢀ×ꢀ
10
10 jones；可见盲波段探测时，器件在正偏置电压工作模式为光电导，正偏置电压为10 v时，响应率最大为14.4 a/w，外量子效率超过4800%，探测率达到8
ꢀ×ꢀ
10
10 jones，探测器具有独特且较高探测性能。
12.本发明基于p-gan/algan晶体材料采用新的器件原理制备出了新型的具有肖特基-pin异质结新型紫外光电探测器。通过pt与p-gan表面接触形成肖特基接触的电极，与传统algan材料的pin结构结合，器件形成肖特基-pin异质结结构器件的设计，制备了可以工作在日盲和可见盲双波段探测的新型紫外光电探测器。其工作模式可通过调整施加在器件上的偏置电压来进行光伏型和光导型模式的变换，在负偏置电压下，工作模式为光伏型，在
日盲波段其响应率和探测率与传统algan基器件相近，在正偏置电压下，工作模式为光导型，在日盲和可见盲波段的探测均有较高的响应率和量子效率。
附图说明
13.图1 为制备器件用的pin型algan材料结构及其各层材料参数。
14.图2 为器件成型工艺流程的简图。
15.图3 为在275 nm光背照射下，器件的j-v测试结果。
16.图4为器件在275 nm光背照射下，器件的响应度和探测率结果图。
17.图5器件在275 nm光照射下，器件的响应度随入射光功率变化结果图。
18.图6 为在365 nm光背照射下，器件的j-v测试结果。
19.图7为器件在365 nm光背照射下，器件的响应度和外量子效率结果图。
20.图8器件在365 nm光照射下，器件的响应度随入射光功率变化结果图。
21.图9器件在275 nm光照射下，在-10 v和 10v偏置下，器件i-t测试结果。
22.图10器件在365 nm光照射下，在 10 v偏置下，器件i-t测试结果。
具体实施方式
23.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
24.实施例1：基于pt/p-gan/algan异质结双波段紫外光电探测器，用反应离子刻蚀使gan/algan材料的n
-algan层暴露出表面形成台面结构，在n
-algan层上沉积多层ti/al/ni/au金属并在n2下退火形成下电极，在台面的上表面p-gan层表面沉积金属pt形成肖特基接触的上电极，使整个器件形成肖特基-pin异质结结构，具体步骤如下：步骤1，通过光刻工艺在p-gan/algan晶体材料表面按设计好的台面器件形状在特定的位置掩膜一层光刻胶层；步骤2，用反应离子刻蚀使gan/algan晶体材料的n
-algan层暴露出表面形成台面结构；步骤3，把晶片放置在丙酮中浸泡一段时间，去除图案化的光刻胶层，再用无水乙醇清洗；步骤4，通过光刻工艺在n
-algan表面制作下电极图形，电极图形区域不掩膜光刻胶层，其余部分不掩膜光刻胶层；并在电极图形化区域依次沉积一定厚度的多层ti/al/ni/au金属；步骤5，把晶片放置在丙酮中浸泡一段时间，去除图形化光刻胶层及表面沉积多余的金属，然后用无水乙醇清洗；步骤6，将晶片放在550℃的n2中快速退火3分钟，形成下电极；步骤7，通过电感耦合等离子化学气相沉积设备在器件上依次沉积厚度分别为100 nm的sio2和200 nm的sin2钝化层；步骤8，通过光刻工艺在p-gan表面制作电极图形，使得除电极图形化以外的区域覆盖光刻胶；步骤9，通过刻蚀工艺，刻蚀台面上的sio2/sin2钝化膜层至p-gan露出表面；步骤10，通过金属沉积工艺在p-gan上表面沉积金属pt,形成上电极；
步骤11，把晶片放置在丙酮中浸泡一段时间，使光刻胶完全溶解，剥离光刻胶上面的金属pt，然后用无水乙醇进行清洗；步骤12，从上电极和下电极分别引出金丝，并对器件进行相关测试，测试结果如下：图3为探测器在波长为275 nm，入射光功率密度为100.9 μw/cm2的光照下器件的j-v测试结果，器件在正、负偏置电压下均有响应。
25.图4为探测器在波长为275 nm，背入射光功率密度为100.9 μw/cm2的光照下器件的r-v和d*-v测试结果图。背在负偏置电压下，实现最大0.12 a/w的响应率和超过50%的外量子效率（-10v）和1.0
×
10
13 jones的探测率（-0.5v）；正偏置电压下，实现最大10 a/w的响应率和超过4500%的外量子效率（ 10 v），显示了较优的探测性能。
26.图5为该器件在波长为275 nm的光照射下，偏置电压分别为-10 v、 10 v时响应度随入射光功率变化的曲线图，在-10 v偏置电压时，响应度随入射光功率增加而基本不变，显示出了光伏特性，在 10 v偏置电压时，响应度随入射光功率增加而减小，显示出了光导特性。
27.图6为该探测器在波长为365 nm，入射光功率密度为100.9 μw/cm2的光照下器件的j-v测试结果，器件在正偏置电压下有较强响应。
28.图7为探测器在波长为365 nm，背入射光功率密度为100.9 μw/cm2的光照下器件的r-v和d*-v测试结果图。正偏置电压下，实现最大实现最大14.4 a/w的响应率和超过4800%的外量子效率( 10 v)器件优较优的探测性能。
29.图8为该器件在波长为365 nm的光照射下，偏置电压为 10v时响应度随入射光功率变化的曲线图。在 10 v偏置电压时，响应度随入射光功率增加而减小，显示出了光导特性。
30.图9为该器件在波长为275 nm的光照射下，偏置电压分别为-10 v、 10 v时，器件的i-t测试结果，器件在-10 v偏置电压下，响应时间（上升）较快为200 us，器件在 10 v偏置电压下，响应时间（上升）为2.1 ms。
31.图10为该器件在波长为365 nm的光照射下，偏置电压为 10 v时，器件的i-t测试结果，器件在 10 v偏置电压下，响应时间（上升）为2.3 ms。