CN102074609A - 一种紫外雪崩光电二极管探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的侧面附着AlN缓冲层，AlN缓冲层的外侧附着p型AlxGa1-xN层，蓝宝石衬底的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层，在i-Si雪崩区层的外侧面附着n-Si层，而其制作方法将Si材料和AlGaN材料结合起来，可实现既适于紫外探测又具有良好性能的半导体雪崩光电二极管APD，采用p型AlxGa1-xN层作为紫外光的吸收层，采用i-Si作为雪崩区，让p型AlxGa1-xN层中的光生电子在i-Si中发生雪崩，从而实现微弱紫外光的检测。
Description
技术领域
本发明属于探测器技术领域，具体涉及一种紫外雪崩光电二极管探测器及其制作方法。
背景技术
紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析、火焰探测，光通信、紫外光源的校准以及天文学研究。在上述应用中，需要解决的一个关键技术问题是对微弱紫外光信号甚至单光子的检测。这是由于空气对紫外光的吸收很强烈，紫外光在大气中衰减很快，到达探测端的强度很低。对于微弱紫外光信号，通常采用具有增益的光电倍增管PMT或者半导体雪崩光电二极管APD来进行检测。光电倍增管PMT尽管具有高增益和低噪声，但是其体积大且玻璃外壳易碎，同时还需要很高的电源功率。而基于半导体材料的半导体雪崩光电二极管APD体积小、重量轻，并且对磁场不敏感，具有成本低，线性度好、灵敏度高、便于制作阵列的优势和高速工作的能力，是实现紫外探测的理想途径。
目前，最常用的紫外光电探测器是基于Si材料的光电二极管，Si材料是晶体质量最高的材料，也是目前最适合制作半导体雪崩光电二极管APD的材料。这是因为Si中的电子和空穴碰撞电离产生电子空穴对的能力差别最大，可以通过设计器件只让电子这一种载流子发生雪崩。但是，Si和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性：首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，通常是SiO2钝化层，会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。
基于AlGaN、SiC等宽禁带半导体材料的紫外光电探测器可以克服上述的诸多缺点。对光电二极管而言，宽的禁带宽度本身就是一个很大的优势，它使得探测器可以室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。宽禁带半导体材料抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。在诸多宽禁带半导体材料中，AlGaN材料因为属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调而格外受到关注。但是，AlGaN基紫外探测器要想表现出上述的这些优势还面临不小的困难。首先，最主要的不足是晶体质量较差。由于缺乏合适的衬底，GaN材料主要是在蓝宝石上异质外延获得，位错密度高达108～1010cm-2。这些材料缺陷会对器件性能造成损害，包括导致对可见光的响应、漏电流增加、以及表现出持续光电导现象。其次，AlGaN材料中电子和空穴发生碰撞电离的能力差别不大，这种性质并不适合于制作APD。
综上所述，Si材料适合制作半导体雪崩光电二极管APD但是不适合用于紫外探测，而AlGaN基半导体材料适合用于紫外探测但不适合制作半导体雪崩光电二极管APD。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种紫外雪崩光电二极管探测器，将Si材料和AlGaN材料结合起来，可以实现既适用于紫外探测又具有良好器件性能的半导体雪崩光电二极管APD，采用p型AlxGa1-xN层作为紫外光的吸收层，采用i-Si作为雪崩区，让p型AlxGa1-xN层中的光生电子在i-Si中发生雪崩，从而实现微弱紫外光的检测。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的侧面附着AlN缓冲层2，AlN缓冲层2的外侧附着p型AlxGa1-xN层4，x的范围为0～0.6，蓝宝石衬底1的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层4靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层5，在i-Si雪崩区层5的外侧面附着n-Si层6，n-Si层6外侧面附着n型欧姆电极7，而p型AlxGa1-xN层4的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极3，i-Si雪崩区层5的高度和p型欧姆电极3的高度一致，其中蓝宝石衬底1厚度为100～600μm，AlN缓冲层2厚度为20～1000nm，p型AlxGa1-xN层4厚度为50～500nm，i-Si雪崩区层5厚度为0.1～100μm，n-Si层6厚度为100～600μm。
所述的蓝宝石衬底1的倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为90～180°。
上述的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法：首先在蓝宝石衬底1的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是450～1200℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层2，该缓冲层厚度为20～1000nm，在AlN的缓冲层2的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度800～1200℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层4，x的范围为0～0.6，该p型AlxGa1-xN层4厚度为50～500nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层4底部的一侧面将i-Si/n-Si薄膜键合为i-Si雪崩区层5/n-Si层6，其中i-Si雪崩区层5厚度为0.1～100μm，n-Si层6厚度为100～600μm，和i-Si雪崩区层5对应高度的p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极3，而在n-Si层6表面蒸镀出n型欧姆电极7，将p型欧姆电极3上部的蓝宝石衬底1的底部用机械切割法或化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面。
本发明的一种紫外雪崩光电二极管探测器，将Si材料和AlGaN材料结合起来，可以实现既适用于紫外探测又具有良好器件性能的半导体雪崩光电二极管APD，采用p型AlxGa1-xN层作为紫外光的吸收层，采用i-Si作为雪崩区，让p型AlxGa1-xN层中的光生电子在i-Si中发生雪崩，从而实现微弱紫外光的检测。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更详细的说明。
实施例1：
如附图所示，一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的侧面附着AlN缓冲层2，AlN缓冲层2的外侧附着p型AlxGa1-xN层4，x为0.1，蓝宝石衬底1的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层4靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层5，在i-Si雪崩区层5的外侧面附着n-Si层6，n-Si层6外侧面附着n型欧姆电极7，而p型AlxGa1-xN层4的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极3，i-Si雪崩区层5的高度和p型欧姆电极3的高度一致，其中蓝宝石衬底1厚度为100μm，AlN缓冲层2厚度为20nm，p型AlxGa1-xN层4厚度为50nm，i-Si雪崩区层5厚度为0.1μm，n-Si层6厚度为100μm；所述的蓝宝石衬底1的倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为90°。
本实施例的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法：
首先在蓝宝石衬底1的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是450℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层2，该缓冲层厚度为20nm，在AlN的缓冲层2的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度800℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层4，x为0.1，该p型AlxGa1-xN层4厚度为50nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层4底部的一侧面将i-Si/n-Si薄膜键合为i-Si雪崩区层5/n-Si层6，其中i-Si雪崩区层5厚度为0.1μm，n-Si层6厚度为100μm，和i-Si雪崩区层5对应高度的p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极3，而在n-Si层6表面蒸镀出n型欧姆电极7，将p型欧姆电极3上部的蓝宝石衬底1的底部用机械切割法或化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面，该倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为90°。
实施例2：
如附图所示，一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的侧面附着AlN缓冲层2，AlN缓冲层2的外侧附着p型AlxGa1-xN层4，x为0.5，蓝宝石衬底1的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层4靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层5，在i-Si雪崩区层5的外侧面附着n-Si层6，n-Si层6外侧面附着n型欧姆电极7，而p型AlxGa1-xN层4的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极3，i-Si雪崩区层5的高度和p型欧姆电极3的高度一致，其中蓝宝石衬底1厚度为600μm，AlN缓冲层2厚度为1000nm，p型AlxGa1-xN层4厚度为500nm，i-Si雪崩区层5厚度为100μm，n-Si层6厚度为600μm。所述的蓝宝石衬底1的倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为180°。
本实施例的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法：
首先在蓝宝石衬底1的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是1200℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层2，该缓冲层厚度为1000nm，在AlN的缓冲层2的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度1200℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层4，x的范围为0.5，该p型AlxGa1-xN层4厚度为500nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层4底部的一侧面将i-Si薄膜/n-Si键合为i-Si雪崩区层5/n-Si层6，其中i-Si雪崩区层5厚度为100μm，n-Si层6厚度为600μm，和i-Si雪崩区层5对应高度的p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层4底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极3，而在n-Si层6表面蒸镀出n型欧姆电极7，将p型欧姆电极3上部的蓝宝石衬底1的底部用化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面，该倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为180°。
本发明的工作原理为：紫外光从蓝宝石衬底1的横断面入射，被有效导入到p型AlxGa1-xN层4，而不会进入i-Si雪崩区层5；而可见光从i-Si雪崩区层5照射进来后，不会被p型AlxGa1-xN层4吸收，同时也不会被Si吸收，这样将Si材料和AlGaN材料结合起来，可以实现既适用于紫外探测又具有良好器件性能的半导体雪崩光电二极管APD，采用p型AlxGa1-xN层4作为紫外光的吸收层，采用i-Si雪崩区层5作为雪崩区，让p型AlxGa1-xN层中的光生电子在i-Si雪崩区层5中发生雪崩，从而实现微弱紫外光的检测。
Claims (8)
1.一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底(1)，其特征在于：蓝宝石衬底(1)的侧面附着AlN缓冲层(2)，AlN缓冲层(2)的外侧附着p型AlxGa1-xN层(4)，x的范围为0～0.6，蓝宝石衬底(1)的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层(4)靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层(5)，在i-Si雪崩区层(5)的外侧面附着n-Si层(6)，n-Si层(6)外侧面附着n型欧姆电极(7)，而p型AlxGa1-xN层(4)的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极(3)，i-Si雪崩区层(5)的高度和p型欧姆电极(3)的高度一致。
2.根据权利要求1所述的紫外雪崩光电二极管探测器，其特征在于：蓝宝石衬底(1)厚度为100～600μm，AlN缓冲层(2)厚度为20～1000nm，p型AlxGa1-xN层(4)厚度为50～500nm，i-Si雪崩区层(5)厚度为0.1～100μm，n-Si层(6)厚度为100～600μm。
3.根据权利要求1所述的紫外雪崩光电二极管探测器，其特征在于：蓝宝石衬底(1)的倾斜斜面与p型欧姆电极(3)之间的夹角为90～180°。
4.根据权利要求1所述的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法，其特征在于：首先在蓝宝石衬底(1)的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是450～1200℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层(2)，该缓冲层厚度为20～1000nm，在AlN的缓冲层(2)的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度800～1200℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层4，x的范围为0～0.6，该p型AlxGa1-xN层(4)厚度为50～500nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层(4)底部的一侧面将i-Si/n-Si薄膜键合为i-Si雪崩区层5/n-Si层(6)，其中i-Si雪崩区层(5)厚度为0.1～100μm，n-Si层(6)厚度为100～600μm，和i-Si雪崩区层(5)对应高度的p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下分别用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极(3)，而在n-Si层(6)表面蒸镀出n型欧姆电极(7)，将p型欧姆电极(3)上部的蓝宝石衬底(1)的底部用机械切割法或化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面。
5.一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底(1)，其特征在于：蓝宝石衬底(1)的侧面附着AlN缓冲层(2)，AlN缓冲层(2)的外侧附着p型AlxGa1-xN层(4)，x为0.1，蓝宝石衬底(1)的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层(4)靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层(5)，在i-Si雪崩区层(5)的外侧面附着n-Si层(6)，n-Si层(6)外侧面附着n型欧姆电极(7)，而p型AlxGa1-xN层(4)的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极(3)，i-Si雪崩区层(5)的高度和p型欧姆电极(3)的高度一致，其中蓝宝石衬底(1)厚度为100μm，AlN缓冲层(2)厚度为20nm，p型AlxGa1-xN层(4)厚度为50nm，i-Si雪崩区层(5)厚度为0.1μm，n-Si层(6)厚度为100μm；所述的蓝宝石衬底(1)的倾斜斜面与p型欧姆电极(3)之间的夹角为90°。
6.根据权利要求5所述的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法，其特征在于：首先在蓝宝石衬底(1)的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是450℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层(2)，该缓冲层厚度为20nm，在AlN的缓冲层(2)的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度800℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层(4)，x为0.1，该p型AlxGa1-xN层(4)厚度为50nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层(4)底部的一侧面将i-Si/n-Si薄膜键合为i-Si雪崩区层(5)/n-Si层(6)，其中i-Si雪崩区层(5)厚度为0.1μm，n-Si层(6)厚度为100μm，和i-Si雪崩区层(5)对应高度的p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下分别用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极(3)，而在n-Si层(6)表面蒸镀出n型欧姆电极(7)，将p型欧姆电极(3)上部的蓝宝石衬底(1)的底部用机械切割法或化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面，该倾斜斜面与p型欧姆电极(3)之间的夹角为90°。
7.一种紫外雪崩光电二极管探测器，包括蓝宝石衬底(1)，其特征在于：蓝宝石衬底(1)的侧面附着AlN缓冲层(2)，AlN缓冲层(2)的外侧附着p型AlxGa1-xN层(4)，x为0.5，蓝宝石衬底(1)的底部为倾斜斜面，在p型AlxGa1-xN层(4)靠近底部的一侧面附着i-Si雪崩区层(5)，在i-Si雪崩区层5的外侧面附着n-Si层(6)，n-Si层(6)外侧面附着n型欧姆电极(7)，而p型AlxGa1-xN层(4)的靠近底部的另一侧面附着p型欧姆电极(3)，i-Si雪崩区层(5)的高度和p型欧姆电极(3)的高度一致，其中蓝宝石衬底(1)厚度为600μm，AlN缓冲层(2)厚度为1000nm，p型AlxGa1-xN层(4)厚度为500nm，i-Si雪崩区层(5)厚度为100μm，n-Si层(6)厚度为600μm。所述的蓝宝石衬底(1)的倾斜斜面与p型欧姆电极(3)之间的夹角为180°。
8.根据权利要求7所述的紫外雪崩光电二极管探测器的制作方法，其特征在于：首先在蓝宝石衬底(1)的侧面用分子束外延MBE方法，在生长温度是1200℃的条件下，外延生长一层AlN的缓冲层(2)，该缓冲层厚度为1000nm，在AlN的缓冲层(2)的外侧用金属有机物化学气相沉积MOCVD方法，在生长温度1200℃的条件下，外延生长一层p型AlxGa1-xN层(4)，x的范围为0.5，该p型AlxGa1-xN层(4)厚度为500nm，接着采用键合技术，在p型AlxGa1-xN层(4)底部的一侧面将i-Si/n-Si薄膜键合为i-Si雪崩区层(5)/n-Si层(6)，其中i-Si雪崩区层(5)厚度为100μm，n-Si层(6)厚度为600μm，和i-Si雪崩区层(5)对应高度的p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面，如果依次附着AlN和蓝宝石，那么在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下用激光剥离技术去除掉蓝宝石，相应的AlN采用干法刻蚀的方式去除，随即在p型AlxGa1-xN层(4)底部的另一侧面的该高度以下蒸镀出p型欧姆电极(3)，而在n-Si层(6)表面蒸镀出n型欧姆电极(7)，将p型欧姆电极(3)上部的蓝宝石衬底(1)的底部用化学腐蚀法按照预设的斜面形状构造出倾斜斜面，该倾斜斜面与p型欧姆电极3之间的夹角为180°。
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