CN102593234B - 一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器 - Google Patents
一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种紫外探测器，尤其涉及一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器。一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其中，器件包括衬底，依次生长在衬底上的缓冲层，n型掺杂GaN层，非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层，低掺杂浓度的n型GaN层，低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层，非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层，p型掺杂AlGaN组分缓变层，p型掺杂GaN层。本发明提供了一种可实现低噪声、高增益的高性能紫外雪崩光电探测器。由于器件的特殊结构，正入射的信号即可实现空穴触发的雪崩增益，巧妙地避免了以往背入射的硬性要求，简化了工艺流程，降低了测试难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外探测器，尤其涉及一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器。
背景技术
化合物半导体氮化镓（GaN）属于第三代半导体材料，具有直接带隙，禁带宽度大（3.43eV），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，是制作高量子效率、高密度集成及耐恶劣环境的短波长光电子器件和大功率、高频电子器件的理想材料。
紫外探测技术在军事、民用及科学研究上都有广泛的应用，如导弹羽烟探测，火焰探测，环境监控，太空通信等。在紫外探测系统中，探测器是核心的部分。目前，在已投入商业和军事应用的紫外探测器中，以紫外光电倍增管和硅基紫外光电二极管的应用最为广泛。其中，光电倍增管（PMT）具有优异的灵敏度，但其工作电压一般高于1000V以上，而且体积大、效率低、易损坏；而硅基紫外光电管作为固体探测器的代表，尽管可以避开PMT上述的一系列缺点，但跟PMT一样，由于对可见光响应，在紫外探测应用时需要附带昂贵的滤光片，因此增加了实际应用的成本。相对以上两者而言，GaN基紫外雪崩光电探测器具有体积小，工作电压低，耐高温，量子效率高、无需滤光片等优点，这使得其成为紫外探测领域内研究和开发的热点。在不久的将来，GaN基紫外雪崩光电探测器有望可以替代紫外光电倍增管和硅基紫外光电管在紫外探测领域的应用。
低噪声、高增益是高性能紫外雪崩光电探测器的两个关键指标。雪崩光电探测器的噪声和增益可以通过对载流子—电子、空穴碰撞电离率的有效比例的调控来实现，简称碰撞电离工程。研究发现，单载流子（电子或空穴）触发的雪崩击穿过程具有较低过剩噪声因子；而采用碰撞电离系数大的载流子作为触发载流子则可以获得更高的增益。对于GaN材料，空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，因此由空穴触发的GaN雪崩光电探测器具有更高的雪崩增益。以PIN结构的雪崩光电探测器为例，如果光信号从n型层一侧入射，对应波段的光会在n型层被吸收，激发出电子空穴对。在反偏电场的作用下，电子被收集到n型GaN层一侧，空穴被运输到有源层（i层），触发雪崩击穿，因此光信号从n型层一侧入射可以实现空穴触发的雪崩击穿；反之，如果光信号从p型层一侧入射，则可以实现电子触发的雪崩击穿。
对于传统的PIN结构和吸收倍增分离（SAM）结构的GaN雪崩光电探测器，由于p型GaN掺杂元素Mg的记忆效应以及生长重掺杂的p型GaN会出现外延层表面劣化的现象，导致难以将结晶质量良好的n型GaN生长在p型GaN之上，因此需要采用背入射的方式来实现空穴触发的雪崩增益。但由于实现背入射要求衬底透光，需要对衬底进行减薄，双面抛光，因此增加了工艺的复杂程度。此外，背入射的紫外光信号到达吸收层（或有源层）前要通过衬底、缓冲层，在此过程中入射光会被吸收、散射，导致探测器的外量子效率降低。如果采用带隙更宽的AlGaN材料作缓冲层，则会由于AlGaN外延层和衬底之间的晶格与热失配较GaN外延层更为严重，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的关键性能，如暗电流、量子效率等。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其利用AlxGa1-xN层既作为倍增层，又充当窗口的作用，允许波长在GaN材料截止波长和AlxGa1-xN材料截止波长之间的紫外光信号透过。使得从正面（p型层一侧）入射的上述波段的光信号在GaN吸收层里被吸收，激发出电子空穴对，在反偏电场的作用下，电子被收集到n型GaN层一侧，空穴则被运输到倍增层触发雪崩击穿，实现空穴触发的雪崩增益。同时波长短于AlxGa1-xN材料截止波长的紫外信号会在AlxGa1-xN层上被吸收，此时AlxGa1-xN层既是吸收层又是倍增层，从而提高了器件在AlxGa1-xN对应波段的量子效率。最终实现低噪声、高增益、高量子效率的紫外雪崩光电探测器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其中，器件包括衬底，依次生长在衬底上的缓冲层，n型掺杂GaN层，非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层，低掺杂浓度的n型GaN层，低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层，非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层，p型掺杂AlGaN组分缓变层，p型掺杂GaN层。
依次生长在衬底上的各层是利用外延生长法完成的，外延生长法包括如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法。
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；n型掺杂GaN层优选的厚度为0.5－4μm；非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层优选的厚度为0.05－1μm，其作用在于吸收光信号，在反偏电场作用下，电子被收集到n型GaN层，空穴被运输到低掺杂浓度的n型GaN层；低掺杂浓度的n型GaN层优选的厚度为0.02－0.2μm，其作用在于将吸收层与倍增层分离，并将空穴快速地运输到倍增层；低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层优选的厚度为0.01－0.1μm，Al组分在0－x范围内梯度变化或者连续变化，其作用在于减缓低掺杂n型GaN与AlxGa1-xN的能带突变程度，抑制载流子在异质结界面的累积；非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层优选的厚度为0.05－1μm，非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层优选的Al组分x=0.1－0.5。该倍增层的有两个重要作用：一、提供高的反偏电场，使进入倍增区内的空穴得到足够的动能，发生碰撞电离，实现雪崩增益；二、作为波长在GaN材料截止波长和AlxGa1-xN材料截止波长之间的光信号的窗口，使其在吸收层上被吸收；p型掺杂AlGaN组分缓变层优选的厚度为0.01－0.1μm，Al组分在0－x范围内梯度变化或者连续变化，其作用在于减缓AlxGa1-xN与p型掺杂GaN层的能带突变程度，抑制载流子在异质结界面的累积；最后是 p型掺杂GaN层优选的厚度为0.02－0.2μm，在实际器件制备中，需要对该层减薄，以减少该层对光信号的吸收。
与现有技术比较，本发明采用非掺杂的本征AlxGa1-xN作为倍增层，同时允许波长在GaN材料截止波长和AlxGa1-xN材料截止波长之间的光信号通过，在非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层上被吸收，构成吸收倍增分离结构，实现低噪声、高增益的高性能紫外雪崩光电探测器。同时，由于器件的特殊结构，正入射的信号即可实现空穴触发的雪崩增益，巧妙地避免了以往背入射的硬性要求，简化了工艺流程，降低了测试难度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其中，器件包括衬底1，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次在衬底1上生长的25nm的低温GaN缓冲层和2μm的高温非掺杂GaN缓冲层2，1μm厚的n型掺杂GaN层3，0.2μm厚的非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层4，50nm厚的低掺杂浓度的n型GaN层5，10nm厚的低掺杂浓度的n型AlxGa1-xN（x=0－0.2）组分缓变层6，0.2μm厚的非掺杂的本征Al0.2Ga0.8N倍增层7，10nm厚的p型掺杂Al-yGa1-yN（y=0.2－0）组分缓变层8，0.1μm厚的p型掺杂GaN层9。其中倍增层7同时充当窗口的作用，允许波长在GaN材料截止波长和Al0.2Ga0.8N材料截止波长之间的光信号通过，直接在吸收层4上被吸收，有利于单载子（空穴）触发的雪崩增益，实现低噪声，高增益的高性能紫外探测器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对发明的技术方案可以做若干适合实际情况的改进。因此，本发明的保护范围不限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：器件包括衬底（1），依次生长在衬底（1）上的缓冲层（2），n型掺杂GaN层（3），非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层（4），低掺杂浓度的n型GaN层（5），低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层（6），非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层（7），p型掺杂AlGaN组分缓变层（8），p型掺杂GaN层（9）。
2.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的n型掺杂GaN层（3）的厚度为0.4－5μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的非掺杂或低掺杂浓度的本征GaN吸收层（4）的厚度为0.05－1μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的低掺杂浓度的n型GaN层（5）的厚度为0.02－0.2μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层（6）的厚度为0.01－0.1μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层（7）的厚度为0.05－1μm。
7.根据权利要求6所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的非掺杂的本征AlxGa1-xN倍增层（7）的Al组分x为0.1－0.5。
8.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的p型掺杂AlGaN组分缓变层（8）的厚度为0.01－0.1μm。
9.根据权利要求5－8任一所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的低掺杂浓度的n型AlGaN组分缓变层（6）和p型掺杂AlGaN组分缓变层（8）的Al组分在0－x范围内梯度变化或者连续变化。
10.根据权利要求1所述的一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述的p型掺杂GaN层（9）的厚度为0.02－0.2μm。
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Granted publication date: 20140709 Termination date: 20150222 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |