CN102820367A

CN102820367A - 基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器

Info

Publication number: CN102820367A
Application number: CN2012103338326A
Authority: CN
Inventors: 江灏; 张文乐
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明涉及一种光电探测器，尤其涉及一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，包括依次层叠的衬底、缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层。本发明选用n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N作为倍增层，避免了GaN基雪崩光电探测器制作中采用GaN基材料p型掺杂和背入射方式所带来的不利因素，以异质结构和正入射方式实现雪崩光电探测器的吸收n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层分离和单载流子触发雪崩，进而实现低噪声、高响应速度、高增益的光电探测。

Description

基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，尤其涉及一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器。

背景技术

Ⅲ族氮化物属于第三代半导体，是典型的宽禁带化合物半导体材料。GaN基材料（包括其二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN）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电子、光电子器件。而基于GaN基材料的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，成为光电探测领域内研究和开发的热点。

高性能雪崩光电探测器需要具备高增益、低噪声的特性，从而实现对微弱光信号的探测。研究表明，由单载流子（电子或空穴）触发而产生的雪崩增益与双载流子触发相比具有更低的噪声，而采用碰撞电离系数更大的载流子触发雪崩则能产生相对更大的增益；因此为了实现雪崩光电探测器的高增益、低噪声性能，通过器件外延结构设计以使碰撞电离系数较大的载流子去触发雪崩是一种有效的方法。以n型半导体肖特基结构的雪崩光电探测器为例，当光信号从n型半导体一侧入射时，对应波段的光会在n型层中被吸收，激发出电子空穴对。在反偏电场的作用下，电子被收集到n型欧姆接触处，空穴被运输到金属电极与非掺杂半导体接触所形成的耗尽层（有源层）中，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。

对于GaN材料，空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，传统上一般传采用P-I-N-I-N结构来实现吸收倍增层分离和空穴触发雪崩的目的，这种结构主要有两种缺点：（1）GaN基材料的p型掺杂可控性较差，在晶体质量，载流子浓度和形成p型欧姆接触方面并不理想，这样会影响器件的整体性能；（2）由于生长重掺的p型GaN基材料会出现表面劣化的现象，难以将质量良好的n型GaN基材料生长在p型GaN基材料之上，因此需要采用背入射方式来实现空穴触发的雪崩。但是为了实现背入射，不仅要求衬底本身是透光材料（即衬底材料的禁带宽度对应的光波长要低于入射信号），而且在其技术规格上要求是双面抛光，这样增大了工艺的难度。此外，衬底和吸收层之间的缓冲层、欧姆接触层等外延层对光信号的吸收也会降低探测器的外量子效率，从而影响雪崩光电探测器的性能。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供了一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，包括依次层叠的衬底、缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、非掺杂或低掺杂浓度的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、非掺杂或低掺杂浓度的Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层。其中，缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层均利用外延生长法，如分子束外延、金属有机化学气相沉积外延法等依次层叠生长于衬底上。

利用非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N和金属形成肖特基接触，用肖特基耗尽层作为倍增层，这样避免了传统结构中材料的p型掺杂的难题，同时利用n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层和Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层禁带宽度的不同达到对特定波长的紫外光信号实现吸收、倍增层分离的目的，当入射光信号波长大于n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层材料截至波长而小于Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层截至波长时，入射信号会透过n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层到达非掺杂或低掺杂浓度的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层被吸收。

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；

优选地，所述n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度为0.1～5μm；

优选地，非掺杂或低掺杂浓度的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的厚度为0.05～2μm，其有吸收光信号的功能，在反偏电压下，电子被收集到n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层，空穴被运输到非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层；

优选地，非掺杂或低掺杂浓度的Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层的厚度为0.01～0.2μm，其禁带宽度在Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层和n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的禁带宽度范围内从下往上连续或梯度线性变大，作用在于减缓Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层和n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的能带突变程度，改善因能带突变所产生的带阶对载流子收集效率的影响，同时也可缓释外延层间的应力，降低倍增层中错位等缺陷。其中，所述n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的禁带宽度大于Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的禁带宽度；

优选地，非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的厚度为0.02～2μm，该层通过与金属形成肖特基能提供高的反偏电场，使进入倍增层的空穴得到足够的动能，发生碰撞电离；另一方面，通过改变Al、In组分调节禁带宽度可以实现特定波长紫外信号透过n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层而被Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层吸收的目的。

另外，所述n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层的组分中，x=0～1，y=0～1，x+y≤1；所述Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的组分中，x1=0～1，y1=0～1，x1+y1≤1；所述Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层的组分中，x2=0～1，y2=0～1，x2+y2≤1；所述n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的组分中，x3=0～1，y3=0～1，x3+y3≤1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明选用n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N作为倍增层，避免了GaN基雪崩光电探测器制作中采用GaN基材料p型掺杂和背入射方式所带来的不利因素，以异质结构和正入射方式实现雪崩光电探测器的吸收n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层分离和单载流子触发雪崩，进而实现低噪声、高响应速度、高增益的光电探测。另一方面，利用n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层和Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层禁带宽度的不同来达到对特定波长实现吸收倍增分离的目的，这种结构对正入射的信号也能实现空穴触发的雪崩增益。本发明结构简单，避免了GaN基材料的p型掺杂，简化了工艺流程。

附图说明

图1为本发明基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器的示意图。

具体实施方式

下面结合具体事实方式对本发明作进一步的说明。

实施例一

如图1所示为本发明基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器的第一实施例，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的非掺杂或低掺杂浓度的GaN吸收层4，100nm厚的非掺杂或低掺杂浓度的Al_x2Ga_1-x2N（x2=0～0.4）组分缓变层5，0.1μm的非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_0.4Ga_0.6N倍增层6，倍增层6同时充当窗口的作用，允许波长在Al_0.4Ga_0.6N材料截止波长和GaN材料截止波长之间的光信号通过，在吸收层4上被吸收，这样有利于单载流子（空穴）触发的雪崩增益，实现低噪声、高增益和高响应速度的紫外探测器。

实施例二

如图1所示为本发明基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器的第二实施例，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的非掺杂或低掺杂浓度的Al_x1In_1-x1N吸收层4（通过调整Al、In组分能使该层与GaN形成晶格匹配，且禁带宽度对应波长为适用于日盲探测的280 nm，本例中采用Al_0.8In_0.2N），100nm厚的非掺杂或低掺杂浓度的Al_x2In_1-x2N（x2=0.8～0.9）组分缓变层5，0.1μm的非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_0.9In_0.1N倍增层6，倍增层6同时充当窗口的作用，允许波长在Al_0.8In_0.2N材料截止波长和Al_0.9In_0.1N材料截止波长之间的光信号通过，在吸收层4上被吸收，这样有利于单载流子（空穴）触发的雪崩增益。

对于GaN材料，由于实验和理论研究均已证明空穴的碰撞电离系数高于电子的碰撞电离系数，本发明提出的结构通过实现空穴触发的雪崩能够有效提高增益、抑制噪声。同理，对于在高场下空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数的特性未因Al、In组分变化而改变的GaN基三元、四元化合物材料（AlGaN、AlInN和AlInGaN），均可采用本专利结构。

Claims

1.一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：包括依次层叠的衬底、缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层。

2.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层的厚度为0.1～5μm。

3.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层的组分中，x=0～1，y=0～1，x+y≤1。

4.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的厚度为0.05～2μm。

5.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的组分中，x1=0～1，y1=0～1，x1+y1≤1。

6.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层的厚度为0.01～0.2μm。

7.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层的组分中，x2=0～1，y2=0～1，x2+y2≤1。

8.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的厚度为0.02～2μm。

9.根据权利要求1所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的组分中，x3=0～1，y3=0～1，x3+y3≤1。

10.根据权利要求1至9任一项所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的禁带宽度大于Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层的禁带宽度。

11.根据权利要求1至9任一项所述的基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，其特征在于：所述Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层的禁带宽度在Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层和n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层的禁带宽度范围内从下往上连续或梯度线性变大。