[发明专利]一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法

说明书

本发明公开了一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，属于半导体技术领域。本方法主要解决了现有技术手段难以将Al等离激元制备到PIN结构AlGaN探测器本征吸收层，无法实现PIN结构AlGaN基紫外探测器增强的问题。该方法包括在衬底上生长AlN模板层；在AlN模板层上生长n‑AlGaN外延层；在n‑AlGaN外延层上生长含有Al纳米颗粒的i‑AlGaN外延层等步骤。本发明充分利用Al等离激元对AlGaN探测器性能的增强作用，在难以提高AlGaN材料质量的情况下，为高灵敏度AlGaN紫外探测器的实现提供了新途径，而且工艺简单，结构新颖，可大面积应用，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法。

背景技术

三元合金AlGaN材料，为直接带隙半导体材料，其禁带宽度随Al组分的变化在3.4～6.2eV之间连续可调，可实现带边响应的波长范围为365～200nm，覆盖了大部分的紫外波段，是制作紫外及深紫外探测器的理想材料，此外，AlGaN基材料具有化学稳定性强，耐高温，耐高压，抗辐照等优势，使得基于此的紫外及深紫外探测器在军事和民用上都具有广阔的应用前景。

近年来，AlGaN基紫外光电器件受到国内外研究人员的广泛关注，实现了多种结构的紫外及深紫外探测器，如光电导型探测器、金属-半导体-金属(MSM)型探测器、肖特基(Schottky)型探测器、以及P-I-N型探测器等，取得了一定的突破和进展，但目前的器件性能远低于期待。其中AlGaN基PIN型紫外探测器工作电压低，暗电流小，且制造工艺成熟，与半导体平面工艺兼容性好，具有很好的实用价值和应用前景，但目前器件性能仍不具有竞争力，制约器件的根本原因在于材料问题，AlGaN材料质量差以及p型掺杂低的问题一直难以解决。

目前，利用金属纳米结构产生的等离激元效应提高器件性能的方法成为新的研究热点，为提高探测器性能提供了一种新思路。表面等离激元是指在受外界能量激励下，金属表面的自由电子和光子相互作用，发生集体振荡而产生的一种存在于金属表面的激发态倏逝波。它以振动电磁波的形式沿金属和电介质的界面传播，并且在垂直于界面的方向，其振幅呈现指数衰减。金属纳米颗粒形成的局域表面等离激元会产生局域场的增强，可以显著提高器件性能。

Al等离激元是增强AlGaN基紫外、深紫外光电探测器性能的最优选择，具有共振频率高，成本低的优势。制备Al等离激元可以直接利用金属蒸发得到，但是由于Al原子的迁移能力较弱，需要优化过的蒸镀过程才可以实现，如斜角蒸发，这种方法过程简单，颗粒尺寸可以根据蒸镀时间来调节，但难以实现可重复性，尺寸均一，分布均匀的纳米结构；也可以利用光刻形成图形窗口后再沉积金属得到Al的纳米颗粒，包括电子束光刻、纳米球光刻和纳米压印等，这种方式得到的纳米结构具有较为规则的图形，但总体来说尺寸较大，不利于充分发挥等离激元的增益效果。不同的制备方法虽各有优缺点，但都可以在一定程度上增强器件的性能，从实验上证明了Al表面等离激元对紫外光电探测器的增益作用。

但以上各种制备方式都存在一个共同的问题，就是只能在器件的表面制备Al纳米结构，即只能实现MSM型探测器的性能提升，而无法应用于更具优势的PIN结构探测器，因为表面制备的等离激元结构通常距离主要用于实现探测的本征吸收层具有一定的距离，往往由于表面等离激元产生的局域场增强的能量为到达有源区就已经损失，从而无法将等离激元的增益作用最大化。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)原位生长Al纳米结构提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法。本发明提供的纳米粒子提高AlGaN基探测器性能的基本原理是利用Al纳米颗粒的表面等离激元效应，产生局域场增强，可以更好的作用于有源区，从而提高探测器性能。

本发明提供的原位生长Al等离激元提高AlGaN基PIN型探测器性能的方法，包括以下步骤：

步骤一、在衬底上生长AlN模板层；