[发明专利]基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN探测器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测器技术，具体是指基于图形化蓝宝石衬底(PSS，Patterned Sapphire Substrate)所生长GaN基PIN结构的紫外探测器及其制备方法。

背景技术

近年来，GaN基材料因其直接禁带半导体的特点，化学性质稳定、带隙可调以及较宽的光谱响应范围，已经成为蓝光激光器和紫外探测器领域的主流材料和研究热点。GaN基LED在节约能源方面有着巨大的应用前景；而使用GaN基半导体探测器代替真空管进行紫外探测，也有其重大的应用背景；目前紫外探测在军事方面也有广泛的应用前景。

蓝宝石衬底与GaN外延层由于晶格常数与热膨胀系数的失配，会在界面处产生大量的缺陷与位错，并且其中有些位错在晶体生长过程中会贯通材料内部，导致器件性能恶化。图形化蓝宝石衬底通过在蓝宝石表面制作微细结构，在材料生长过程中有利于应力的弛豫，并且能够有效减少贯通性位错的产生，提高晶体质量。有报道称采用图形化蓝宝石衬底生长的GaN基材料，位错密度相比普通方法可以减小一个数量级左右(Japanese Journal of Applied Physics49(2010)04DH02)。

目前，基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构的紫外探测器尚未见到公开报道。采用该结构制备的紫外探测器，由于缺陷密度小，减小了器件的产生复合中心，提高了器件的量子效率，并且可以使得器件工作在反偏电压下暗电流几乎保持不变，量子效率由于耗尽区的扩展可以得到进一步的提高。器件的响应速度与紫外可见抑制比，也因材料质量的提高而得到明显改善。

发明内容

本发明的目的在于基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料，制作一种新型紫外探测器，相比传统紫外探测器，该器件可以明显提高内量子效率，同时可以改善响应速度和紫外可见抑制比。

本发明的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器，其结构为：基于图形化蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜材料，首先生长缓冲层，缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；然后在它之上分别生长n⁺型、本征型和p型GaN材料层。p型欧姆接触电极位于p型GaN材料层表面，n型电极位于刻蚀台阶后暴露出的n⁺型GaN材料层表面，钝化层覆盖器件表面及侧面，并在p电极与n电极处开孔，加厚电极分别位于p电极与n电极之上。

如图1所示，其特征在于：

一图形化蓝宝石衬底1，蓝宝石晶片晶向为(0001)，蓝宝石刻蚀图案是圆形、菱形或六边形，图案呈正六边形分布；

一GaN缓冲层2，厚度为1-3微米；

一n⁺GaN材料层3，其电子浓度5×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁸cm^-3，厚度为1-2微米；

一本征GaN材料层4，一般为弱n型，电子浓度小于5×10¹⁶cm^-3，厚度为0.1-0.3微米；

一p型GaN材料层5，空穴浓度大于1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.1-0.2微米；

一p型欧姆接触电极6，该电极制作在p型GaN层上，其图形为圆形或方形；

一n型欧姆接触电极7，该电极制作在n⁺GaN层上，其图形为圆形或环形结构；

一钝化层8，一般为氮化硅或二氧化硅材料；

加厚电极9，分别位于p欧姆接触电极与n欧姆接触电极之上。

本发明的优点在于：发明方法所制备的器件，生长材料质量较高，位错、缺陷密度小，器件的暗电流小，性能稳定，反偏电压下暗电流几乎没有明显变化，量子效率却得到大幅提高。

附图说明

图1为本专利的制备探测器的剖面结构示意图，该器件基于图形化蓝宝石衬底生长GaN PIN结构薄膜材料制备。

具体实施方式

下文结合说明书附图和具体的实例，对本发明的基于图形化蓝宝石衬底的GaN基PIN结构紫外探测器制作过程作详细的说明：

步骤1：在图形化蓝宝石衬底1上淀积GaN薄膜材料，依次生长缓冲层2、n⁺GaN材料层3、本征GaN材料层4、p型GaN材料层5，其中缓冲层生长包括低温缓冲层生长、重结晶、三维生长和二维生长；