氮化镓基雪崩光电二极管的研制

第37卷 增刊 2007年9月 激 光 与 红 外 LASER & INFRARED Vo1．37，Supplement September，2007 文章编号：1001-5078(2007)增刊-0954-03 氮化镓基雪崩光电二极管的研制 许金通 ，陈 俊 ，陈 杰 ，王 玲 ，储开慧 ，张 燕 ，李向阳 ，龚海梅 ，赵德刚 (1．中国科学院上海技术物理所传感技术国家重点实验室，上海 200083；2．中国科学院半导体研究所，北京 100083) 摘 要：文章简单回顾了氮化镓基雪崩光电二极管的发展现状，从制作高响应率、低漏电流的 雪崩器件出发，详细阐明了制作氮化镓基雪崩光电二极管的工艺过程，特别考虑了干法刻蚀带 来的物理损伤以及后续的消除损伤处理。由于雪崩器件对于材料的质量具有较苛刻的要求， 因此特别对材料进行了必要的筛选。通过一系列工艺上的改进，成功地制作出国内第一只氮 化镓基雪崩光电二极管，器件的光敏面直径是40p~m；并对其进行了光电性能测试。测试结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，当反向偏压是58V时，漏电流大约是 1．18 X 10 A，雪崩增益是3。 关键词：氮化镓；雪崩光电二极管；漏电流 中图分类号：TN23；TN312 ．7 文献标识码：A Fabrication and Device Characteristics of GaN．based Avalanche Photodiodes XU Jin—tong ，CHEN Jun ，CHEN Jie ，WANG Ling ，CHU Kai—hui ，ZHANG Yan LI Xiang—yang ，GONG Hai—mei ，ZHAO De—gang (1．State Key Laboratories of Transducer Technology，Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shan ghai 200083，China；2．State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Institute of Semiconductors， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China) Abstract：The development of GaN—based avalanche photodiodes Was reviewed in this letter．Focused on fabricating high responsivity and low leakage current。the processes was related in detail。specially considering of physical dam— age induced in dry—etched course and subsequent treatment aimed to remove the damage．Due to the great rely be— tween avalanche device and material，it is the key issue to select out top—quality materia1．By optimizing the proces— ses，GaN—based avalanche photodiode was fabricated successfully，firstly in China．The effective diameter of devices was 401~m．The response of device Was tested．It shows that the leakage current ofthe device Was about 1．18×10一 A and avalanche multiplication WaS determined to be ab out 3 when the reverse bias Was 58 V． Key words：GaN；avalanche photodiodes；leakage current 1 引 言 过去几年，以氮化镓为代表的宽禁带半导体材 料和器件取得了显著的进展 。¨J，它们在短波发光 二极管、场效应晶体管、紫外探测器等方面中的应用 均取得了重要突破，有些已经达到了实用化的水平。 但是，由于近地((3～40)km)大气层在紫外波段的 强吸收，达到地面的紫外光强度很弱，特别是在日盲 波段(200～300nm)。对于工作在紫外波段的氮化 镓基光伏型探测器，其响应率还有待于进一步的提 高；其中一个发展的方向是制作雪崩光电二极管，即 具有高内量子增益的光伏器件。氮化镓基雪崩光电 二极管一般采用 PIN结构，以不含铝组分的居多，这 是因为雪崩光电二极管对材料质量的要求很高， 作者简介：许金通(1979一)，男，2002级硕博连续研究生，主要 从事氮化镓基紫外探测器的研究。E．mail：ahhsoon@sohu．com 收稿日期：2007-07-03 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 激 光 与 红 外 增刊 2007 许金通 陈 俊 陈 杰等 氮化镓基雪崩光电二极管的研制 955 而含铝组分的氮化镓基薄膜材料的缺陷密度还很 高，不易制成雪崩光电二极管。最早的关于氮化镓 基雪崩光电二极管的报道是 1998年 A．Osinsky等 报道的 J，最大雪崩增益在 3．0左右，光 电流为 30 A左右。此后，美国的很多科研小组进一步发 展了氮化镓基的雪崩光电二极管 (GaN—based Ava— lanche Photodiode，GaN—based APD)，有德克萨斯州 立大学奥斯丁分校、麻省理工学院的林肯实验室和 联邦军事科学院 。 对于氮化镓基雪崩光电二极管来说，器件的光 敏面直径一般不能超过 50 m，否则会引发缺陷相 关的微等离子体效应，漏电流会较大。1999年 K． A．Mclntosh等。。 把 GaN—Based APD的雪崩增益倍 数提高到 10，2000年 J．C．Carrano等 把这个数值 进一步提高到25，随后2000年、2001年 K．A．Mcln— tosh等 研制出单光子计数模式或盖革模式工作的 氮化镓雪崩光电二极管。报道的氮化镓雪崩光电二 极管的雪崩击穿电场大约是 (3～4)MV／cm_6。j。 含铝组分雪崩光电二极管一直到2005年 1 1月才出 现，土耳其的 Turgut Tut等 报道了利用 I—Alo 38 Gao 62N／N 一Alo 38Gao ．62N／N 一GaN材料来制作肖 特基结构的日盲波段铝镓氮雪崩光电二极管，肖特 基结构可以避免制作 P型高铝欧姆接触的难题；最 后他们得到的雪崩增益大于25，雪崩击穿电场大约 是 1MV／cm。其后，2005年 12月美国西北大学的研 究小组报道了 PIN结构的 A1GaN日盲波段雪崩光 电二极管，得到的最大雪崩增益大约是 700，雪崩击 穿电场大约是 1．7MV／cm_9 J。我们采用异质结结构 的材料，充分考虑雪崩光电二极管的特性，成功制备 了具有光电倍增效应的器件。下面将详细论述制作 氮化镓基雪崩光电二极管的工艺过程和测试。 2 器件结构和工艺 器件结构如图 1所示。在图 1中，薄膜材料是 背照射可见盲结构，材料采用 MOCVD生长。图 2 是其透射光谱测试结果。由图2可知，在可见光波 段材料的透过率大约在 80％，可观察到清晰的干涉 现象，这意味着材料生长质量良好。 0．15 LLm P·GaN 0．20Ixm I-GaN 0．75 m N 一A10 ． 324Gao 676N 0．15 LLm A1N buffer layer Sapphire substrate 图 l 背照射可见盲材料结构示意图 100 80 60 40 200 300 400 500 600 700 800 A／nm 图 2 材料 的紫外 司见透射光谱测试 对于氮化镓基雪崩光电二极管而言，器件的光 敏面的直径一般需要小于50txm，这样可以增大整 个器件避开缺陷的概率，提高雪崩器件的成品率，我 们设计的器件的直径为40p~m。器件的 P电极采用 延伸电极，延伸电极长在绝缘层二氧化硅上，二氧化 硅采用 PECVD生长，其厚度是400nm。工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 如图3所示。 (8】浮胶，I 刻蚀， 台阶仪测刻蚀深度 ——『__ ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．：5．；：．．．．．．．．．一 (9)去Ni掩膜，L 去损伤处理 r_ l【16)长加厚电擞 一(15)弟 扶光 _|(14)浮股，t．-J (13)长N电 l l和 延伸电极，浮胶广]刻，腐蚀si02 r1 Iv测试N接触r_]极Ti／^l／Ti／A 图3 氮化镓基雪崩光电二极管流片流程图 下面说明工艺流程中的各个步骤中需要考虑的 一 些细节。步骤(2)清洗片子，主要是先用有机溶 剂清洗，以去除表面的有机杂质，同时用去离子水和 酒精基盐酸去除无机杂质以及表面的氧化层，最后 用氮气 吹干。步骤 (3)长 P电极，一般采用 Ni 20nm／Au 20nm／Ni 20nm／Au 20nm四层合金结构， 经步骤(4)光刻后，腐蚀 Ni／Au／Ni／Au，此时注意控 制钻蚀 ，每一次腐蚀时间不宜过长，多次反复效果较 佳。步骤(6)中的退火一般在空气气氛中进行，采 用快速热退火过程；退火后，测试 ，一 ，以确保 P电 极良好的欧姆接触性能。在步骤(8)中，采用 ICP 刻蚀，以减小对材料的刻蚀损伤，刻蚀到 N 层，刻 蚀时可以减慢速度，延长刻蚀时间，刻蚀后测试刻蚀 台阶，以确保刻蚀深度。步骤(9)最好能够尽快进 行，以减少镍掩膜的氧化程度，利于后续的去除。在 步骤(9)中可以采用热退火或等离子体处理等方法 以进一步减小刻蚀损伤。步骤(10)中，采用等离子 体增强的化学气相淀积法(PECVD)生长二氧化硅， 兰 匦 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 铅笔 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 956 激 光 与 红 外 第 37卷 为了使绝缘性能良好，生长了400nm。经步骤(11) 光刻后，用氢氟酸缓冲液腐蚀二氧化硅，为了尽量减 小钻蚀 ，应该在步骤(10)中采用硅片作为陪片，然 后在步骤(12)中先在硅片陪片中摸索 HF缓冲液的 腐蚀速率，也可以采用先干法刻蚀后湿法刻蚀的方 法。经步骤(13)生长 N接触电极后，在步骤(14)中 浮胶，然后可以通过测试 ，一 判断N电极的欧姆接 触性能，如果不好，则可以进一步在氮气气氛中退 火，以形成良好的欧姆接触。步骤(15)、(16)开 P 电极孔和 N电极孔，最后生长延伸电极和加厚电 极。加厚可以用 Cr 20nm／Au 250nm，加 Cr的目的 是为了增加金属与二氧化硅之间的黏性，确保电极 不脱落。图4是流片完成后的芯片照片。 图4 流片完成后的氮化镓基雪崩光电二极管 3 测试和分析 雪崩光电二极管的测试主要是暗电流的测试和 加紫外光照在不同反向偏压下的光电流的测试。图 5为不加紫外光照和加紫外光照下的伏安特性曲线 测试。 Ua／V 图5 氮化镓基雪崩光电二极管伏安特性曲线 由图5可以看出，器件的暗电流与平常的 PIN 器件相比是比较低的，当反向偏压是 50V时，暗电 流大约是 4．07×10一A，在图5中最大的反向偏压 是58V，此时暗电流大约是 1．18×10～A；在反向偏 压较小时(~<30V)，正照射电流比暗电流大，这是因 为光电流的缘故。在实验中，器件的暗电流还是偏 大，当反向偏压超过 58V时，器件的光电流和暗电 流几乎重合，因此无法通过一般的，一 测试来计算 雪崩增益，下面利用调制盘、Stanford SR一570低噪 声电流放大器和可存储示波器，来测试雪崩器件的 雪崩增益，图6是测试系统示意图。 图6 雪崩光电二极管雪崩增益测试系统不意图 在图6中，利用一个调制盘把入射光进行调制， 而后进入单色仪，最后把器件放在杜瓦瓶中，利用一 个电压源 Keithley SourceMeter 2400给器件加反向 偏压，器件的电流通过 Stanford SR一570进行放大， 最后利用示波器显示并存储信号。由于调制的作 用，因此可以把信号和暗电流及噪声分离，有利于提 高信噪比，这样就得到正入射情况下信号随反向偏 压的变化，如图7所示。 图7 雪崩光电二极管在正入射情况 F信号随反向偏压的变化 在图7中，雪崩光电二极管的响应随反向偏压 的增大而增大，当反向偏压超过 60V时，雪崩光电 二极管的光电响应开始明显增大，估计在反向偏压 是 70V左右，雪崩增益倍数大约是 3。 4 结 论 本文简述了氮化镓基雪崩光电二极管的发展现 状、工艺步骤和光电性能测试等。测试结果表明，在 正入射情况下，器件的暗电流与平常的PIN器件相 比是比较低的，当反向偏压是 50V时，暗电流大约 是4．07×10一A；反向偏压是 58V，暗电流大约是 1．18×10～A。最后利用光调制的方法，测试得到， 当反向偏压是70V左右，雪崩增益倍数大约是3。 (下转第960页) 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 960 激 光 与 红 外 第 37卷 种现象可能是由于辐照在材料内存在的大量缺陷 (如 N空位)造成的，不排除由于辐照引起的晶格变 化，使得材料体内应力变化而导致蓝移 J。在主发 光峰的高能端出现的峰，可能是一些缺陷的亚稳态 形成的，这一猜测可以通过对材料进行适当的退火 进行确定，这还有待实验的进一步验证。 我们认为，GaN基 PIN器件在经过质子辐照后， 响应峰值位置向短波方向的移动，与 PL谱得到的 主发光峰蓝移有关。而由于辐照在材料内产生的缺 陷能级会起到复合中心的作用，这会增大器件的反 向暗电流。同时在器件有光照时，光生载流子被这 些复合中心通过复合而损失掉，从而造成器件的响 应率降低。 4 结 论 制备了GaN PIN结构的紫外探测器并进行质 子辐照实验，并测量了辐照前后 PIN器件的，一 曲 线和光谱响应曲线。实验表明，质子辐照使器件的 反向暗电流增加，，一 特性表明，辐照使器件的反 向暗电流增大，正向开启后电流减小，并减小了器件 的响应率，使峰值响应波长向短波方向稍有移动。 对非故意掺杂的 GaN材料进行了质子辐照，Raman 谱表明辐照使得载流子浓度降低，PL谱表明辐照在 GaN材料内形成了 N空位及一些缺陷的亚稳态。 并根据这些结果，对器件的辐照失效做了分析。 致 谢：中国科学院半导体所赵德刚副研究员为本文 提供了GaN材料，在此表示衷心的感谢! 参考文献： [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Umana—Membreno G A，Dell J M，Hessler T P，et a1． 印Co ganMlla—irradiation．induced defects in n．GaN[J]． App1．Phys．Lett．，2002，80(23)：4354—4356． Polenta L，Fang Z—Q，Look D C．On the main irradia— tion—induced defect in GaN[J]．App1．Phys．Lett．， 2000，76(15)：2086—2088． Wang Ching—Wu．Neutron irration effects on visible—blind Au／GaN Schottky barrier detectors grown on Si(1 1 1) [J]．App1．Phys．Lett．，2002，80(9)：1568—1570． Wang R X，Xu S J，Fung S，et a1．Micro—Raman and ph0toluminesecence studies of neutron—irradiated gallium nitride epilayers[J]．App1．Phys．Lett．，2005，87： O319O6． Emtsev V V，Davydov V Y．Hailer E E，et 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