專(zhuān)利名稱(chēng)：基于氮化鎵半導(dǎo)體的紫外線光檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紫外線光檢測(cè)器，特別是有關(guān)使用氮化鎵化合物半導(dǎo)體的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，能將光訊號(hào)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的光檢測(cè)器(Photo Detector)的常規(guī)做法有三種，分別是采用真空管的光倍增管(Photo Multiplier，PMT)、使用硅材料的光檢測(cè)器以及使用氮化鎵化合物半導(dǎo)體的光檢測(cè)器。
在這三種做法之中，光倍增管的成本高、需要高操作電壓、而且真空管容易破碎。而硅光檢測(cè)器則具有制作容易、成本低廉、與低操作電壓等特性。雖然，硅光檢測(cè)器對(duì)較大波長(zhǎng)的可見(jiàn)光與紅外線光的偵測(cè)有相當(dāng)優(yōu)良的效能，但對(duì)較短波長(zhǎng)的紫外線則敏感度較低。相對(duì)地，以氮化鎵化合物為材料的光檢測(cè)器，因?yàn)椴牧峡梢跃哂休^大的能隙(Band Gap)，因此非常適合紫外線光的偵測(cè)。而且，通過(guò)控制氮化鎵化合物的組成來(lái)改變其能隙，可以制作出針對(duì)特定波長(zhǎng)范圍的紫外線光的光檢測(cè)器。
圖1是氮化鎵紫外線光檢測(cè)器的反應(yīng)曲線圖。如圖1所示，氮化鎵紫外線光檢測(cè)器特別在300～370nm的紫外線光波長(zhǎng)范圍有相當(dāng)快速的反應(yīng)，這是常規(guī)的硅光檢測(cè)器所無(wú)法達(dá)到的。因此在需要快速反應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境，氮化鎵紫外線光檢測(cè)器可以提供優(yōu)異的性能。
常規(guī)的氮化鎵半導(dǎo)體裝置的常見(jiàn)的問(wèn)題之一是相鄰半導(dǎo)體層之間的晶格常數(shù)差異過(guò)大。因?yàn)榇司Ц窠Y(jié)構(gòu)的不同而造成的過(guò)大應(yīng)力常使得半導(dǎo)體裝置的磊晶結(jié)構(gòu)不良，進(jìn)而影響其效能性能。此外，氮化鎵紫外線光檢測(cè)器一方面要有足夠大的能隙以反應(yīng)特定波長(zhǎng)范圍的紫外線光，而其與電極接觸處的能隙又不能太大，才能得到較佳的歐姆接觸。另外，如何減少紫外線光被氮化鎵紫外線光檢測(cè)器的表面所反射以及如何提高其光電轉(zhuǎn)換特性，也是氮化鎵紫外線光檢測(cè)器能否具有實(shí)用價(jià)值所需要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種氮化鎵紫外線光檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)際解決前述相關(guān)技術(shù)中的限制及缺陷。
本發(fā)明提出氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，基板從下往上順序包含n型接觸層、光吸收層、光穿透層和p型接觸層。這些半導(dǎo)體層均由具有特定組成的氮化鋁鎵銦(AlaGabIn1-a-bN，0≤a，b≤1，a+b≤1)的四元化合物半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。通過(guò)改變這些材料的鋁、鎵、銦成份的組成，這些半導(dǎo)體層一方面可以具備所需的能隙、載子濃度與遷移率，因而針對(duì)特定波長(zhǎng)的紫外線光反應(yīng)可以特別靈敏。另一方面，這些半導(dǎo)體層可具備匹配的晶格常數(shù)，因而可以避免應(yīng)力過(guò)大的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)得到更高品質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)的紫外線光檢測(cè)器。
此結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含位于p型接觸層上的正電極、光穿透歐姆接觸層和抗反射層，以及位于n型接觸層上的負(fù)電極。此抗反射層對(duì)紫外線光波長(zhǎng)范圍(小于365nm)的光的反射率小于30％，使得絕大部份的光可透過(guò)光穿透歐姆接觸層進(jìn)入氮化鎵紫外線光檢測(cè)器。


附圖表示作為具體呈現(xiàn)本說(shuō)明書(shū)所描述的各組成組件的具體實(shí)施例，并解釋本發(fā)明的主要目的以增進(jìn)對(duì)本發(fā)明的了解。
圖1是氮化鎵紫外線光檢測(cè)器的反應(yīng)曲線圖。
圖2是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例的示意圖。
圖3是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的示意圖。
圖4是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例的示意圖。
圖5是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第四實(shí)施例的示意圖。
圖中10 基板20 n型接觸層30 負(fù)電極32 光吸收層34 光吸收層36 光吸收層
38 光吸收層40 光穿透層50 p型接觸層60 正電極62 光穿透歐姆接觸層64 抗反射層具體實(shí)施方式
圖2是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例的示意圖。如圖2所示，此實(shí)施例是以C-Plane或R-Plane或A-Plane的氧化鋁單晶(Sapphire)或碳化硅(6H-SiC或4H-SiC)為基板10，其它可用于基板10的材質(zhì)還包括Si、ZnO、GaAs或尖晶石(MgAl2O4)，或是晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物，然后在此基板10的一側(cè)面形成n型接觸層20，此n型接觸層20是由有n型摻雜、具有特定組成的AlaGabIn1-a-bN(0≤a，b≤1，a+b≤1)構(gòu)成、厚度介于3000?！?0000之間、成長(zhǎng)溫度介于700℃～1200℃之間。然后，在此n型接觸層20之上形成光吸收層32，此光吸收層32是由未摻雜的、具有特定組成的AlcGadIn1-c-dN(0≤c，d≤1，c+d≤1)構(gòu)成、厚度介于100～10000之間、成長(zhǎng)溫度介于700℃～1200℃之間、而且覆蓋部份n型接觸層20的表面。通過(guò)調(diào)整其Al、Ga以及In的材料組成，光吸收層32具有大于3.4電子伏特(eV)的能隙，因此能敏銳感測(cè)位于紫外線光波長(zhǎng)范圍(300nm≤λ≤370nm)的光線。在n型接觸層20表面未被覆蓋的部份，此實(shí)施例另外形成由Ti與Al合金所構(gòu)成的負(fù)電極30。
此實(shí)施例接著在光吸收層上形成光穿透層40，此光穿透層40是由多個(gè)層(≥2)的疊層所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中，每一疊層都包含二層、厚度均介于50?！?00之間以及成長(zhǎng)溫度均介于700℃～1200℃之間的單層。此二單層分別由具有特定組成與p型摻雜的AleGafIn1-e-fN和AlgGahIn1-g-hN(0≤e，f，g，h≤1，e+f≤1，g+h≤1)構(gòu)成。超晶格結(jié)構(gòu)具有高載子濃度以及高載子遷移率，因此，本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器具有相當(dāng)優(yōu)異的電特性。
接著在光穿透層40上方，此實(shí)施例接著形成p型接觸層50，此P型接觸層50是由有P型摻雜、具有特定組成的AliGajIn1-i-jN(0≤i，j≤1，i+j≤1)構(gòu)成、成長(zhǎng)溫度介于700℃～1200℃之間。由于P型接觸層50的能隙不能太寬以與電極形成良好的歐姆接觸，而又為避免窄能隙氮化物材質(zhì)吸光的問(wèn)題，P型接觸層50的厚度系介于20?！?000之間。
在P型接觸層50上方，此實(shí)施例進(jìn)一步分別形成互不重疊的正電極60與光穿透歐姆接觸層62。正電極60是由Ni與Au的合金構(gòu)成。光穿透歐姆接觸層62可以是厚度介于20?！?00之間的金屬導(dǎo)電層，或是厚度介于200?！?000之間的透明導(dǎo)電氧化層。此金屬導(dǎo)電層可以是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx(x≥0)、Wsiy(y≥0)等其中之一、或其它類(lèi)似金屬材料構(gòu)成。此透明導(dǎo)電氧化層可以是由ITO、CTO、ZnOAl、ZnGa2O4、SnO2Sb、Ga2O3Sn、AgInO2Sn、In2O3Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O2等其中之一、或其它類(lèi)似材料構(gòu)成。
在光穿透歐姆接觸層62之上，此實(shí)施例接著形成未與正電極60重疊的抗反射層64，以避免紫外線的入射光在此檢測(cè)器表面被反射。此抗反射層64可由SiO2、SiN4、TiO2等材料之一構(gòu)成，或是由SiO2/TiO2的分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)構(gòu)成。此抗反射層64對(duì)紫外線光波長(zhǎng)范圍的光的反射率小于30％。
圖3是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的示意圖。如圖3所示，此實(shí)施例和第一實(shí)施例有相同的結(jié)構(gòu)與成長(zhǎng)方式。唯一的差別是在光吸收層所用的材質(zhì)。在此實(shí)施例中，n型接觸層20之上形成的光吸收層34是由有銦摻雜、具有特定組成的AlmGa1-mN(0≤m≤1)構(gòu)成。由于有銦摻雜的氮化物易使界面平整的特性，此光吸收層34除了具有第一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)外，其磊晶品質(zhì)可以更為提高。
圖4是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例的示意圖。如圖4所示，此實(shí)施例和第一、第二實(shí)施例有相同的結(jié)構(gòu)與成長(zhǎng)方式。唯一的差別是在光吸收層的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和成長(zhǎng)方式。在此實(shí)施例中，n型接觸層20之上形成的光吸收層36是由多層的疊層所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中每一疊層都包含二層、厚度均介于50～200之間以及成長(zhǎng)溫度均介于700℃～1200℃之間的單層。此二單層分別具有特定組成與未摻雜的AlpGaqIn1-p-qN和AlrGasIn1-r-sN(0≤p，q，r，s≤1，p+q≤1，r+s≤1)構(gòu)成。此光吸收層36的整體厚度系介于100?！?0000之間。此實(shí)施例采用超晶格結(jié)構(gòu)的光吸收層36，一方面可以避免前二實(shí)施例采用高鋁含量氮化物的單層厚膜的裂解(Crack)問(wèn)題，另一方面高鋁含量氮化物超晶格結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的更寬能隙可對(duì)更短波長(zhǎng)(λ≈300nm)的紫外線光達(dá)到快速反應(yīng)的目的。
圖5是本發(fā)明的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的第四實(shí)施例的示意圖。如圖5所示，此實(shí)施例和第三實(shí)施例有相同的結(jié)構(gòu)與成長(zhǎng)方式。唯一的差別是在光吸收層所用的材質(zhì)。在此實(shí)施例中，n型接觸層20之上形成的光吸收層38是由多層的疊層所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中每一疊層都包含二層、分別由具有特定組成與有銦摻雜的AluGa1-uN和AlwGa1-wN(0≤u，w≤1)構(gòu)成。此超晶格結(jié)構(gòu)的光吸收層38可避免因高含鋁量氮化物的單層厚膜裂解的問(wèn)題，另一方面，利用有銦摻雜氮化物易使接口平整化的特性來(lái)改善此氮化鋁鎵吸收層的磊晶品質(zhì)，并利用高鋁含量的氮化物半導(dǎo)體材質(zhì)寬能隙的特性，使檢測(cè)器對(duì)更短波長(zhǎng)(λ≈300nm)的紫外線光反應(yīng)快速。
以上所述內(nèi)容僅用于解釋本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非試圖對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，所以，凡是在相同的發(fā)明精神下對(duì)本發(fā)明所作的任何修改或變更，都仍應(yīng)包括在本發(fā)明意圖保護(hù)的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵系紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，包括基板，由氧化鋁單晶(Sapphire)、6H-SiC、4H-SiC、Si、ZnO、GaAs、尖晶石(MgAl2O4)和晶格常數(shù)接近于氮化物半導(dǎo)體的單晶氧化物之一制成；n型接觸層，位于該基板的一側(cè)面上，由有n型摻雜、具有特定組成的AlaGabIn1-a-bN構(gòu)成，0≤a，b≤1，a+b≤1，厚度介于3000?！?0000之間；光吸收層，位于該n型接觸層之上且覆蓋其部份表面，由AlxGayIn1-x-yN材料構(gòu)成，0≤x，y≤1，x+y≤1，厚度介于100?！?0000之間，具有大于3.4電子伏特的能隙；負(fù)電極，位于該n型接觸層、未被該光吸收層覆蓋的表面上，由Ti與Al合金構(gòu)成；光穿透層，位于該光吸收層之上，由多層的疊層構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，具有大于該光吸收層的能隙，其中該每一疊層均包含二層、厚度均介于50?！?00之間、分別由具有特定組成與有p型摻雜的AleGafIn1-e-fN與AlgGahIn1-g-hN構(gòu)成的單層，0≤e，f、g、h≤1，e+f≤1，g+h≤1；p型接觸層，位于該光吸收層之上，由有P型摻雜、具有特定組成的AliGajIn1-i-jN構(gòu)成，0≤i，j≤1，i+j≤1，厚度介于20?！?000之間；光穿透歐姆接觸層，位于該p型接觸層之上且覆蓋其部份表面，厚度介于20～200之間的金屬導(dǎo)電層和厚度介于200?！?000之間的透明導(dǎo)電氧化層兩者之一；正電極，位于該p型接觸層之上、未被該光穿透歐姆接觸層覆蓋的表面上，由Ni與Au合金構(gòu)成；以及抗反射層，位于該光穿透歐姆接觸層之上，由SiO2、SiN4、TiO2以及SiO2/TiO2的分布式布拉格反射器其中之一構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該光吸收層是由未摻雜、具有特定組成的AlcGadIn1-c-dN構(gòu)成，0≤c，d≤1，c+d≤1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該光吸收層是由有銦摻雜、具有特定組成的AlmGa1-mN構(gòu)成，0≤m≤1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該光吸收層是由多層的疊層所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中，該每一疊層均包含二層、厚度均介于50?！?00之間、分別是由具有特定組成與未摻雜的AlpGaqIn1-p-qN與AlrGasInl-r-sN所構(gòu)成的單層，0≤p，q，r，s≤1，p+q≤1，r+s≤1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該光吸收層是由多層的疊層所構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中，該每一疊層均包含二層、厚度均介于50?！?00之間、分別由具有特定組成與有銦摻雜的AluGa1-uN和AlwGa1-wN所構(gòu)成的單層，0≤u，w≤1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該金屬導(dǎo)電層是由Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx、Wsiy其中之一構(gòu)成的，x≥0，y≥0。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的所述氮化鎵紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)，其中，該透明導(dǎo)電氧化層是由ITO、CTO、ZnOAl、ZnGa2O4、SnO2Sb、Ga2O3Sn、AgInO2Sn、In2O3Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、SrCu2O2其中之一所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于氮化鎵半導(dǎo)體的紫外線光檢測(cè)器結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)在基板上從下往上順序包含n型接觸層、光吸收層、光穿透層、與p型接觸層。這些半導(dǎo)體層均由氮化鋁鎵銦的四元化合物半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。通過(guò)改變這些材料的鋁、鎵、銦成份的組成，這些半導(dǎo)體層一方面可以具備所需的能隙，因而針對(duì)特定波長(zhǎng)的紫外線光反應(yīng)可以特別靈敏。另一方面，這些半導(dǎo)體層得以具備匹配的晶格常數(shù)，因而可以避免應(yīng)力過(guò)大的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)得到更高品質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)的紫外線光檢測(cè)器。此結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含位于p型接觸層上的正電極、光穿透歐姆接觸層、與抗反射層，以及位于n型接觸層上的負(fù)電極。
文檔編號(hào)H01L27/14GK1753191SQ20041007834
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者武良文, 涂如欽, 游正璋, 溫子稷, 簡(jiǎn)奉任 申請(qǐng)人:璨圓光電股份有限公司