CN102244135A

CN102244135A - 一种pin倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN102244135A
Application number: CN2011101864765A
Authority: CN
Inventors: 江灏; 李剑飞
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102244135B

Abstract

一种PIN倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法。器件包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层，p型掺杂GaN层，若干周期的δ掺杂缓冲GaN层，高阻非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN有源层，n型掺杂GaN层。器件的制备流程包括：利用光刻、干法刻蚀进行器件台面、探测窗口的制作，分别在p型GaN层和n型GaN层制作p型和n型电极，经过合金后实现金属与半导体形成欧姆接触。使n型层处于顶层，避免了常规结构中p型层位于最上面时的情况下需要采用背入射方式所带来的入射光信号损失或外延结构缺陷，有利于光信号激发的空穴获得最大的增益路径，实现高增益高响应的高性能紫外探测器。

Description

一种PIN倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种紫外探测器，尤其涉及一种PIN倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

紫外光电探测器主要应用在军事和民用上的火焰探测，羽烟探测，环境监控，太空光通信，量子通信等领域。

GaN属于第三代半导体材料，是新型的电子器件、光电子器件材料，是典型的宽禁带半导体材料。GaN材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，耐高温，耐腐蚀，抗辐射，导热性能好等特性，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的光电子器件，成为目前第三代半导体的研究热点。

在紫外探测领域，相比起传统的真空培增管和硅探测器，GaN紫外雪崩光电探测器有着重要的应用，其优势表现在：（1）直接带隙，量子效率高；（2）背景噪声低，尤其可以利用200nm-280nm的日盲探测窗口；（3）本征探测，无需昂贵的长波长滤波器，成本低；（4）体积小，重量轻，寿命长，抗震性好；（5）耐高温，耐腐蚀，抗辐照，适用于恶劣环境；（6）工作电压低，不需要高压电源（小于200V）。

紫外探测领域的应用尤其是在微弱光信号的探测上，例如单光子探测，要求探测器具备高响应，高增益的性能。因此器件需要采用雪崩结构，光注入产生的电子空穴对在雪崩电场下加速，在获得足够的动能后，通过碰撞电离产生更多的电子空穴对，实现雪崩增益，使微弱信号得到培增。

雪崩增益取决于电子空穴的碰撞电离率之比，M. Razeghi在其文章中指出，衡量雪崩光电二极管的一个重要参数是电离比率

（

是空穴的碰撞电离系数，

是电子的碰撞电离系数），单载流子雪崩光电二极管具有最优异的性能表现。因此，在设计外延结构时候，可以有意使得电离比率

最接近零(电子触发为主)，或最接近无穷大(空穴触发为主) 。（参见文献：[1]M. Razeghi and A. Rogalski，“Semiconductor ultraviolet detectors”, J. Appl. Phys. 79, 7433-7473，（1996），pp. 7447-7448。）

对于GaN材料，M. Razeghi和R. McClintock等人的研究表明雪崩增益在空穴触发为主时候的要比电子触发为主时要大，碰撞电离是以空穴触发为主，当光子在n型层注入时候，将会获得最大的增益路径。因此，为了更好发挥GaN材料的性能，在传统的PIN结构（从衬底往上依次为n型层，i型层，p型层）上采用背入射结构是必要的。（参见文献：[2] M. Razeghi, R.McClintock,“ A review of III-nitride research at the Center for Quantum Devices ”, J. Cryst. Growth, 311, 3067 (2009)；[3] R. McClintock, J. L. Pau, K. Minder, C. Bayram, P. Kung, and M. Razeghi，“Hole-initiated multiplication in back-illuminated GaN avalanche photodiodes”, Appl. Phys. Lett. 90, 141112 (2007)。）

在传统的PIN结构上，其不足之处表现在：

（1）为获得良好性能，采用背入射时候，需要进行衬底减薄，双面抛光，工艺过程复杂；

（2）利用探针台对器件性能测试时，当光信号采用背入射方式，不易测试。

（3）传统结构中，光信号通过背入射方式由衬底、缓冲层进入到p型层时候会被吸收、散射，降低探测器的外量子效率；而如果缓冲层采用AlGaN缓冲层，则会由于AlGaN缓冲层与衬底材料间的晶格与热失配相较于GaN缓冲层更大，导致AlGaN缓冲层及其上生长的有源层中产生高密度缺陷而劣化器件关键性能，如暗电流、量子效率等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有器件结构的不足，提出一种有效改进器件结构缺陷、优化pin结构的性能、提高器件关机性能的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

本发明的一个发明目的是提供一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，包括：从下到上依次为蓝宝石衬底、缓冲层、p型掺杂GaN层、δ掺杂缓冲GaN层、有源层、n型掺杂GaN层、以及生长于n型掺杂GaN层上的n型欧姆接触电极、生长于p型GaN层的p型欧姆接触电极，使n型掺杂GaN层处于顶层，有利于光信号激发的空穴获得最大的增益路径，在高于雪崩开启电场的对应反向偏压下时，紫外光信号从正面入射器件，在n型掺杂GaN层被吸收，激发出电子空穴对，其中空穴在反偏电场下进入到有源层，通过碰撞电离不断产生新的电子空穴对，最终到达p型层时，将产生几何级数量级的雪崩增益，微弱光信号得到有效放大。使n型层处于顶层，避免了常规结构中p型层位于最上面时的情况下需要采用背入射方式所带来的入射光信号损失或外延结构缺陷，有利于光信号激发的空穴获得最大的增益路径，实现高增益高响应的高性能紫外探测器。

缓冲层用于降低材料生长时缺陷、应力和错位、使外延层具有良好的性能；p型掺杂GaN层优选地，厚度为0.1-2μm，其掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3~1×10¹⁹cm^-3；δ掺杂缓冲GaN层用于进行缓冲阻隔作用，防止由于p型掺杂GaN在有源层及n型掺杂GaN层之下，由于Mg的记忆效应，在生长上有源层时，会使得层中依然有Mg存在，优选地，δ掺杂缓冲GaN层为3~20个周期，每层厚度为1-30nm；优选地，有源层为非掺杂或低掺杂浓度的GaN层，厚度为0.05-1μm；优选地，n型掺杂GaN层是器件的吸收区，入射光大部分在此层被吸收并激发出电子空穴，其中空穴在反偏电场下进入到有源层，通过碰撞电离不断产生新的电子空穴对，这种结构大大提高了量子效率，其采用雪崩过程中以空穴触发为主的GaN III-V族半导体材料，厚度为20-200nm；优选地，n型掺杂GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3~1×10¹⁹cm^-3。

本发明的另外一个目的是提供一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法或分子束外延（MBE）法在衬底上依次生长缓冲层，p型掺杂GaN层，低掺杂的本征GaN或无掺杂的GaN，n型掺杂的GaN层结构；

（2）采用光刻技术制作掩模层，利用干法刻蚀方法依次制作器件台面（Mesa）；

（3）采用光刻技术制作掩模层，利用干法刻蚀方法制作凹型光信号入射窗口（Recessed window），使得窗口的n层厚度约为3-50nm；

（4）干法刻蚀后，进行表面处理，器件热退火，以修复刻蚀的晶格损失，同时进行p型层受主Mg的活化；

（5）采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀n型金属，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触；

（6）采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀p型金属，在空气环境中合金形成p型欧姆接触。

优选地，步骤（1）制备方法采用金属有机化学气相沉积法或分子束外延法作为生长方法。优选地，步骤（2）（3）的干法刻蚀可以采用电感耦合等离子体刻蚀方法。

与现有技术比较，本发明具有以下优点：

本发明中PIN结构的紫外雪崩光电二极管采用倒置的方式，使n型层处于顶层，避免了常规结构中p型层位于最上面时的情况下需要采用背入射方式所带来的入射光信号损失或外延结构缺陷，有利于光信号激发的空穴获得最大的增益路径，实现高增益高响应的高性能紫外探测器，其中空穴在反偏电场下进入到有源层，通过碰撞电离不断产生新的电子空穴对，最终到达p型层时，将产生几何级数量级的雪崩增益，微弱光信号得到有效放大，提高探测灵敏度，且采用p型层之上生长若干周期的Mg-δ掺杂层进行缓冲阻隔作用，从而获得高质量有源层，从而起到：

（1）高增益，高量子效率，高探测灵敏度，充分发挥空穴触发为主的GaN材料性能；

（2）简化工艺流程，降低测试难度。

附图说明

图1为本发明一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器的结构图；

图2为本发明制备流程示意图1；

图3为本发明制备流程示意图2；

图4为本发明制备流程示意图3；

图5为本发明制备流程示意图4；

图6为本发明制备流程示意图5；

图7为本发明制备流程示意图6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

本实施例如图1给出了一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，包括：蓝宝石衬底1以及其上面依次生长的低温、高温Ga N缓冲层2，p型GaN层3，3-8对δ掺杂缓冲GaN层4，非掺杂或低掺杂浓度的GaN有源层5，n型GaN层6；以及制作于n型GaN上的n型欧姆接触电极7，p型GaN的p型欧姆接触电极8。利用GaN材料在雪崩过程中与空穴触发为主的特性，在结构设计上，采用倒置的PIN结构，当光信号从n型层入射时，空穴在雪崩电场的作用下加速，将获得最大的增益路径，极大提高器件的雪崩增益、并可抑制暗噪声电流。

器件结构中，自衬底和缓冲层而上，优选地，p型掺杂GaN层的厚度为0.4-0.6μm。优选地，p型掺杂GaN层掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3~1×10¹⁹cm^-3。优选地，δ掺杂缓冲GaN层为3~8个周期。优选地，δ掺杂的缓冲GaN层每层厚度为1-30nm。优选地，有源层为非掺杂或低掺杂浓度的GaN层，厚度为0.15-0.25μm。优选地，n型掺杂GaN层，采用雪崩过程中以空穴触发为主的GaN III-V族半导体材料，厚度为20-200nm。优选地，n型掺杂GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3~1×10¹⁹cm^-3。

图2-7为本发明一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器制备方法的制备流程示意图，具体制备流程如下：

（1）材料生长利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法或分子束外延（MBE）法在蓝宝石衬底或者SiC衬底或者GaN衬底上1依次生长缓冲层2，p型掺杂GaN层3，3-8对δ掺杂的缓冲GaN层4，低掺杂的本征i-GaN或无掺杂的u-GaN 层5，n型掺杂的GaN层6结构。

其中3-8对δ掺杂的缓冲GaN层4的生长过程如下：生长1-30nm的u-GaN层，保持N源——氨气（NH₃）的流量不变，同时关闭Ga源，如此保持一段时间，再开通p型掺杂源，即Mg源，数秒到数十秒。

（2）采用光刻技术制作掩模层，利用电感耦合等离子体刻蚀方法依次制作器件台面（Mesa）。

（3）采用光刻技术制作掩模层，利用电感耦合等离子体刻蚀方法制作凹形光信号入射窗口（Recessed window），使得窗口的n层厚度约为3-50nm。

（4）干法刻蚀后，进行表面处理，器件热退火，以修复刻蚀的晶格损失，同时进行p型层受主Mg的活化。

（5）采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀n型金属Ti/Al/Ni/Au，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触7。

（6）采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法蒸镀p型金属Ni/Au，在空气环境中合金形成p型欧姆接触8。

Claims

1.一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：

从下到上依次为蓝宝石衬底、缓冲层、p型掺杂GaN层、δ掺杂缓冲GaN层、有源层、n型掺杂GaN层、以及制作于n型GaN层上的n型欧姆接触电极、制作于p型GaN层的p型欧姆接触电极。

2.根据权利要求1所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述p型掺杂GaN层的厚度为0.1-2μm。

3.根据权利要求2所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述p型掺杂GaN层掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3~1×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述δ掺杂缓冲GaN层为3~20个周期。

5.根据权利要求4所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，δ掺杂的缓冲GaN层每层厚度为1-30nm。

6.根据权利要求1所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述有源层为非掺杂或低掺杂浓度的GaN层，厚度为0.05-1μm。

7.根据权利要求1所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述n型掺杂GaN层，采用雪崩过程中以空穴触发为主的 III-V族半导体材料GaN，厚度为20-200nm。

8.根据权利要求1或7所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器，其特征在于，所述n型掺杂GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3~1×10¹⁹cm^-3。

9.一种PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）衬底上依次生长缓冲层，p型掺杂GaN层，δ掺杂的缓冲GaN层，低掺杂的本征GaN或无掺杂的GaN有源层，n型掺杂的GaN层结构；

（2）采用光刻技术制作掩模层，利用干法刻蚀方法制作器件台面；

（3）采用光刻技术制作掩模层，利用干法刻蚀方法制作凹形光信号入射窗口，使得窗口的n层厚度约为3-50nm；

（5）采用光刻图形刻出n型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀n型金属，在氮气环境中合金形成n型欧姆接触；

（6）采用光刻图形刻出p型欧姆接触区域，利用电子束蒸发方法或溅射方法蒸镀p型金属，在空气环境中合金形成p型欧姆接触。

10.根据权利要求9所述的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤（1）制备方法采用金属有机化学气相沉积法或分子束外延法作为生长方法，步骤（2）（3）干法刻蚀方法为电感耦合等离子体刻蚀。