CN103400888A - 高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为：AlN模板层、AlxGa1-xN缓冲层、n型AlxGa1-xN层、i型AlyGa1-yN吸收层、n型AlyGa1-yN分离层、i型AlyGa1-yN倍增层、p型AlzGa1-zN层、p型GaN层，在n型AlxGa1-xN层上引出n型欧姆电极，在p型GaN层上引出p型欧姆电极，所述x、y、z满足0＜z＜y＜x。还公开了其制备方法。本发明设计的SAM结构高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，可明显降低APD雪崩击穿时的外加电压和暗电流，有助于提高APD雪崩倍增因子。
Description
技术领域
本发明专利涉及光电子器件领域，具体涉及一种AlGaN紫外雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
III族氮化物是宽禁带直接带隙半导体材料，具有良好的导热性能，高电子饱和速度，物理化学性能稳定等优点，是近年来国内外重点研究的新型半导体材料，在高电子迁移率晶体管、高亮度发光二极管、高功率激光器及高灵敏度日盲或可见光盲光电探测器等方面有着广泛的应用前景。不过，随着科学技术的发展，人们对III族氮化物半导体材料和器件提出了更高的要求，为了改善和提高III族氮化物半导体材料和器件的光电性能，人们不断挖掘III族氮化物半导体材料本身的一些特有属性，如极化效应就是III族氮化物特有的一种禀性。但是，极化效应在III族氮化物中，既有正面作用，也有负面效应，合理利用III族氮化物的极化，扬长避短，将为新型氮化物半导体光电子器件的设计和性能的提高打开一个新的天地。在电磁波谱中，波长在200nm～400nm范围内的辐射称为紫外辐射，太阳光是最强的紫外辐射光源，但由于大气中臭氧层和其它大气气体的吸收和散射作用，紫外光特别是波长小于280nm的日盲紫外光会绝大部分被大气所吸收，因此，紫外信号特别是日盲紫外信号具有背景干扰小、目标信号容易检测、不容易产生虚假警报等优点，在科学和军事领域有广泛的应用。一直以来，由于光电倍增管(PMT)具有高的电流增益(＞106)、低的暗电流，能够在强的太阳背景下探测到微弱的紫外信号，因此光电倍增管一直占据着探测器的主要市场，然而，光电倍增管也有着体积大、容易损坏、需要很高的击穿电压(＞1200V)、价格昂贵的缺陷，并且在紫外探测波段和硅基探测器一样，需要集成复杂昂贵的滤波系统。具有高增益的AlGaN雪崩光电探测器(APD)为固体探测器，体积小、功耗低、并且能够得到日盲紫外探测性能，能够弥补光电倍增管和硅基探测器的缺点，具有部分取代光电倍增管的潜力。但是，由于高Al组分AlGaN材料制备和p型掺杂尚未得到很好的解决，要想获得高增益的AlGaN雪崩光电探测器目前仍是一大难题。近年来，GaN基可见光盲雪崩探测器得到了长足的发展，工作于线性模式倍增因子高于103的GaN APD以及工作于盖革模式倍增因子高于107的GaN APD都已成功获得[参见文献J.B.Limb，D.Yoo，J.H.Ryou，W.Lee，S.C.Shen，R.D.Dupuis，M.L. Reed，C.J.Collins，M.Wraback，D.Hanser，E.Preble，N.M.Williams，and K.Evans，Appl.Phys.Lett.，89，011112(2006).与文献K.A.McIntosh，R.J.Molnar，L.J.Mahoney，K.M.Molvar，N.Efremow，and Jr.，S.Verghese，Appl.Phys.Lett.，76，3938(2000).]。AlGaN与GaN有着相似的材料特性，尽管GaN APD的发展取得了可喜的进步，然而，AlGaN材料的APD却发展缓慢，2007年，Turgut等人再次报道了在蓝宝石衬底上生长的Al组份为0.4的AlGaN肖特基结构的APD，其光电倍增因子为1560倍[参见文献T.Tut，M.Gokkavas，A.Inal，and E.Ozbay，Appl.Phys.Lett.，90，163506(2007).]。2012年，汪莱等公开了一种吸收倍增区分离(SAM)的GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器结构及其制备方法[参见专利，GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及制备方法，申请号：201110391564.9]，倍增区和吸收区分离的特点使载流子雪崩倍增距离提高，从而使灵敏度大大增加。
发明内容
本发明是利用低Al组分的p型AlzGa1-zN层来增加i型AlyGa1-yN倍增层的电场，设计了一种高增益的背入射SAM p-i-n-i-n结构的AlGaN紫外雪崩光电探测器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为：AlN模板层、AlxGa1-xN缓冲层、n型AlxGa1-xN层、i型AlyGa1-yN吸收层、n型AlyGa1-yN分离层、i型AlyGa1-yN倍增层、p型AlzGa1-zN层、p型GaN层，在n型AlxGa1-xN层上引出n型欧姆电极，在p型GaN层上引出p型欧姆电极，所述x、y、z满足0＜z＜y＜x。
进一步的，所述AlxGa1-xN缓冲层厚度为300～600nm，所述n型AlxGa1-xN层厚度为300～600nm，所述i型AlyGa1-yN吸收层厚度为150～220nm，所述n型AlyGa1-yN分离层厚度为60～80nm，所述i型AlyGa1-yN倍增层厚度为150～200nm，所述p型AlxGa1-xN层厚度为80～120nm，所述p型GaN层厚度为30～80nm。
进一步的，所述AlN模板层为蓝宝石衬底上生长的AlN层，厚度为500nm。
进一步的，所述n型欧姆电极为Ti/Al/Ni/Au合金电极，p型欧姆电极为Ni/Au合金电极。
本发明还提供了上述高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤包括：
(1)将AlN模板在NH3气氛下表面氮化；
(2)在AlN模板衬底上生长一层AlxGa1-xN缓冲层；
(3)在AlxGa1-xN缓冲层上生长一层n型AlxGa1-xN层；
(4)在n型AlxGa1-xN层上生长一层i型AlyGa1-yN吸收层；
(5)在i型AlyGa1-yN吸收层上生长一层n型AlyGa1-yN分离层；
(6)在n型AlyGa1-yN分离层上生长一层i型AlyGa1-yN倍增层；
(7)在i型AlyGa1-yN倍增层上生长一层p型AlzGa1-zN层；
(8)在p型AlzGa1-zN层上生长一层P型GaN层；
(9)在p型GaN层上进行台面刻蚀，露出n型AlxGa1-xN层，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
(10)在n型AlxGa1-xN层台面上蒸镀n型欧姆电极，蒸镀后退火；
(11)在p型GaN层上蒸镀p型欧姆电极，蒸镀后退火；
其中x、y、z满足0＜z＜y＜x。
本发明设计的高增益的背入射SAM p-i-n-i-n结构AlGaN紫外雪崩光电探测器，通过在i型AlyGa1-yN倍增层上异质外延低Al组分p型AlzGa1-zN层(z＜y)，在倍增层内引入与外电场方向相同的极化电场，该极化电场有利于提高倍增层内总的离化电场，可明显降低APD雪崩击穿时的外加电压和暗电流，有助于提高APD雪崩倍增因子。
附图说明
图1为本发明高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器的结构示意图。
图2为倍增层无极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器的暗电流及光电流I-V曲线与增益曲线。
图3为倍增层无极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器结构的扫描电镜照片图。
图4为倍增层有极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器的暗电流及光电流I-V曲线与增益曲线。
图5为倍增层有极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器结构的扫描电镜照片图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
对比例1
本AlGaN紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤为：
(1)清洗AlN模板，将AlN模板衬底在NH3气氛下表面氮化3分钟；
(2)在AlN模板衬底上用MOCVD法生长一层506nm的Al0.5Ga0.5N缓冲层；
(3)在Al0.4Ga0.6N缓冲层上用MOCVD法生长一层513nm的n型Al0.5Ga0.5N层，掺杂浓度为2×1018cm-3；
(4)在n型Al0.4Ga0.6N层上用MOCVD法生长一层220nm的i型Al0.4Ga0.6N吸收层；
(5)在i型Al0.4Ga0.6N吸收层上用MOCVD法生长一层74nm的n型Al0.4Ga0.6N分离层，掺杂浓度为1×1018cm-3；
(6)在n型Al0.4Ga0.6N分离层上用MOCVD法生长一层200nm的i型Al0.4Ga0.6N倍增层；
(7)在i型Al0.4Ga0.6N倍增层上用MOCVD法生长一层87nm的p型AlzGa1-zN层，Al的组分z＝0.4，使用二茂镁作p型AlGaN掺杂剂，掺杂浓度为2×1018cm-3；
(8)在p型Al0.4Ga0.6N层上生长一层80nm的P型GaN层，掺杂浓度为2×1018cm-3；
(9)在p型GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n型Al0.4Ga0.6N层，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
(10)在n型Al0.4Ga0.6N层台面上蒸镀n型欧姆电极，电极为Ni/Au合金电极，电极尺寸为0.3×0.3mm2，蒸镀时间10分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火3分钟；
(11)在p型Al0.4Ga0.6N层上蒸镀p型欧姆电极，电极为Ti/Al/Ni/Au合金电极电极蒸镀时间10分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火1分钟。
图2为AlGaN紫外雪崩光电探测器在入射光波长为275nm，入射光功率为0.01mW/cm2的测试条件下，在不同反向偏压下得到的光电流、暗电流与雪崩倍增因子的变化曲线。其对应的雪崩击穿电压为84.5V，最大雪崩倍增因子为3×103。该样品的扫描电镜照片见图3。
实施例1
本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：p型AlzGa1-zN层的组分为z＝0.2，P型GaN层厚度为34nm。图4为本实施例高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器在入射光波长为275nm，入射光功率为0.01mW/cm2的测试条件下，在不同反向偏压下得到的光电流、暗电流和雪崩倍增因子，与图2比较可以看出，p型Al0.2Ga0.8N层由于在i型Al0.4Ga0.6N倍增层内引入了与外电场方向相同的极化电场，可明显降低APD的雪崩击穿电压、减小雪崩击穿时的暗电流和显著提高APD雪崩倍增因子，其对应的雪崩击穿电压为77.5v，比对比例1低7V，降幅达8％，对应的暗电流也比对比例1低1个数量级，其最大雪崩倍增因子为1.2×104，是对比例1的4倍。本实施例所得的样品的扫描电镜照片见图5。
实施例2
本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：所述AlxGa1-xN缓冲层厚度为300nm，所述n型AlxGa1-xN层厚度为300nm，所述i型AlyGa1-yN吸收层厚度为150nm，所述n型AlyGa1-yN分离层厚度为60nm，所述i型AlyGa1-yN倍增层厚度为150nm，所述p型AlzGa1-zN层厚度为120nm，所述p型GaN层厚度为30nm，组分x＝0.8，y＝0.6，z＝0.3。
实施例3
本实施例步骤与对比例1基本一致，其区别在于：所述AlxGa1-xN缓冲层厚度为600nm，所述n型AlxGa1-xN层厚度为600nm，所述i型AlyGa1-yN吸收层厚度为180nm，所述n型AlyGa1-yN分离层厚度为80nm，所述i型AlyGa1-yN倍增层厚度为180nm，所述p型AlzGa1-zN层厚度为80nm，所述p型GaN层厚度为50nm，组分x＝0.9，y＝0.8，z＝0.5。
背入射p-il-nl-i-n SAM型高增益AlGaN紫外雪崩光电探测器是在传统的相同组分的p-i-n型结构中插入一个分离层nl和一个倍增层il的基础上，同时降低p型层中Al的组分，从而达到提高器件性能的目的。分离层nl将吸收层和倍增层分开，当光从背部入射时，入射光子在吸收层被吸收，产生电子-空穴对，在反偏电压和内建电场作用下，空穴被加速通过nl型层，进入倍增层，而吸收层产生的绝大部分电子在电场作用下向n层漂移，并不进入nl型层，虽然仍然有少量电子扩散至nl型层，但由于nl层的电场比吸收层的电场还要大，扩散至nl层的电子在电场作用下，减速运动，在没到达倍增层以前，电子速度已经减小为零，这样就实现了纯空穴注入。在反向大偏压作用下，注入的空穴受到倍增层强电场的漂移作用，产生很大的动能，它们与倍增层的晶格原子发生碰撞时，把价键上的电子碰撞出来，产生一个电子-空穴对。由空穴碰撞产生的电子和空穴在强电场作用下，向相反方向运动，继续发生碰撞，如此一直碰撞下去，自由载流子数量急剧增加，产生雪崩倍增效应。电子和空穴的离化系数与倍增层电场存在一定的对应关系：α＝Aexp(-b/E)，A、b为常数，当倍增层电场E增加时，载流子离化系数α增大，离化系数增大意味着单位时间单位长度内，载流子碰撞产生的电子空穴对增多，倍增因子增大，对于同质结分离吸收倍增的AlGaN APD来说，倍增区的总电场由内建电场和外加偏压场提供，发生雪崩时电场一般小于3MV/cm。而极化电场也可达到1MV/cm，与外加偏压场具有相同量级，如果将极化场引入倍增层，将提高倍增层电场，降低雪崩击穿电压，减少击穿时暗电流，有助于提高APD倍增因子。为了增加倍增层总电场，极化场需与外电场方向相同，为此，在倍增层的上表面引入负极化电荷或者在倍增层的下表面引入正极化电荷均可以增加倍增层总电场。用低Al组分的nl层取代同质结中高Al组分的nl层可以在倍增层的下表面引入正极化电荷，但是低Al组分的nl型层在APD结构中会引入空穴的势阱，并且正极化电荷在nl层会产生一个阻碍空穴进入倍增层的电场，因此，低Al组分的nl型层并不利于器件性能的提高。而用低Al组分的p型层取代同质结中高Al组分的p型层可以在倍增层的上表面引入负极化电荷，可有效增加倍增层总电场，且不影响空穴从吸收区注入到倍增区。
基于上述方案，本发明探测器的工作特点在于，外加足够的反偏电压以使得i型AlyGa1-yN倍增层工作状态置于雪崩状态，n型AlyGa1-yN分离层将i型AlyGa1-yN吸收层与i型AlyGa1-yN倍增层分开，p型AlzGa1-zN层引入与外电场方向相同的极化电场，可明显降低APD的雪崩击穿电压和减小雪崩击穿时的暗电流，能显著提高APD雪崩倍增因子。在同样的实验条件下，与倍增层无极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器相比较，倍增层有极化的AlGaN紫外雪崩光电探测器的雪崩击穿电压降幅达8％，暗电流降低1个数量级，雪崩倍增因子增幅达到300％。
Claims (5)
1.一种高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为：AlN模板层、AlxGa1-xN缓冲层、n型AlxGa1-xN层、i型AlyGa1-yN吸收层、n型AlyGa1-yN分离层、i型AlyGa1-yN倍增层、p型AlzGa1-zN层、p型GaN层，在n型AlxGa1-xN层上引出n型欧姆电极，在p型GaN层上引出p型欧姆电极，其特征在于：所述x、y、z满足0＜z＜y＜x。
2.根据权利要求1所述的高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述AlxGa1-xN缓冲层厚度为300～600nm，所述n型AlxGa1-xN层厚度为300～600nm，所述i型AlyGa1-yN吸收层厚度为150～220nm，所述n型AlyGa1-yN分离层厚度为60～80nm，所述i型AlyGa1-yN倍增层厚度为150～200nm，所述p型AlxGa1-xN层厚度为80～120nm，所述p型GaN层厚度为30～80nm。
3.根据权利要求1或2所述的高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述AlN模板层为蓝宝石衬底上生长的AlN层，厚度为500nm。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型欧姆电极为Ti/Al/Ni/Au合金电极，p型欧姆电极为Ni/Au合金电极。
5.权利要求1-4中任一项所述的高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤包括：
(1)将AlN模板在NH3气氛下表面氮化；
(2)在AlN模板衬底上生长一层AlxGa1-xN缓冲层；
(3)在AlxGa1-xN缓冲层上生长一层n型AlxGa1-xN层；
(4)在n型AlxGa1-xN层上生长一层i型AlyGa1-yN吸收层；
(5)在i型AlyGa1-yN吸收层上生长一层n型AlyGa1-yN分离层；
(6)在n型AlyGa1-yN分离层上生长一层i型AlyGa1-yN倍增层；
(7)在i型AlyGa1-yN倍增层上生长一层p型AlzGa1-zN层；
(8)在p型AlzGa1-zN层上生长一层P型GaN层；
(9)在p型GaN层上进行台面刻蚀，露出n型AlxGa1-xN层，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
(10)在n型AlxGa1-xN层台面上蒸镀n型欧姆电极，蒸镀后退火；
(11)在p型GaN层上蒸镀p型欧姆电极，蒸镀后退火；
其中x、y、z满足0＜z＜y＜x。
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