CN105097964B - 一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，属于半导体器件技术领域。该器件包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型欧姆接触层(3)、N型欧姆接触电极(7)、π型吸收层(4)、P型欧姆接触层(5)以及P型欧姆接触电极(6)，缓冲层外延在衬底上，N型欧姆接触层制作在缓冲层上，N型欧姆接触电极为环形结构，且制作在N型欧姆接触层上，所述π型吸收层为垂直外延方向的渐变高斯掺杂，π型吸收层制作在N型欧姆接触层上，P型欧姆接触层制作在π型吸收层之上，P型欧姆电极制作在P型欧姆接触层之上。本发明的优点在于通过掺杂调节吸收区电场分布，从而能够有效地提高探测器的响应率。
Description
技术领域：
本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器。
背景技术：
紫外探测技术是继红外探测和激光探测技术之后的又一军民两用光电探测技术。作为红外探测技术的重要补充，紫外探测技术具有广泛的应用，例如导弹预警、精确制导、紫外保密通信、生化分析、明火探测、生物医药分析、海上油监、臭氧浓度监测、太阳指数监测等领域。GaN基紫外探测器与传统的光电倍增管和Si探测器相比独具优势。光电倍增管虽然能实现高响应的紫外探测，但是光电倍增管需要大功率和阴极制冷、体积大、功耗大、价格高。Si探测器虽然也能够实现对紫外光的探测，但是由于Si的禁带宽度窄(1.12eV)，材料对可见光有很强的吸收，当用于紫外探测时，必须附加复杂的滤光系统。GaN能够和AlN形成组分可调的三元系合金AlGaN，属于直接带隙半导体，随着合金材料中Al组分的变化，带隙在3.4eV–6.2eV之间连续变化，AlGaN探测器的本征截止波长能够从365nm连续变化到200nm。GaN基探测器具有全固态，体积小，能够本征实现对波长小于365nm的紫外光的探测，不受可见光的干扰，故GaN基探测器无需复杂滤光系统。GaN基探测器由于紫外光透入深度深，不需要做成浅结，提高了探测效率，并且GaN探测器抗辐照能力强，能够在太空等恶劣环境下工作，因此GaN基半导体材料是制作紫外探测器的理想材料之一。
近年来，已经有多种结构的GaN基紫外探测器被研制出来，这些结构包括光电导结构、MSM(金属-半导体-金属)结构、肖特基结构、PIN等。其中，PIN型结构由于量子效率高、暗电流低、响应速度快和能工作在光伏模式下等优点，受到了人们的关注。通常情况下，PIN型结构紫外探测器的吸收层采用非故意掺杂，表现为弱N型。在实际探测器的结构设计中往往通过优化吸收层厚度来提高探测器的响应率。然而，仅仅通过增加吸收层厚度来提高探测器的响应率，会导致探测器的响应速度降低。实际运用中必须在在探测器的响应速度和响应率之间做选择。传统结构PIN探测器在保证不改变吸收区厚度以确保器件响应速度的前提下，进一步提高响应率上遇到了困难。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是，提供一种在不增加器件的吸收区厚度，而通过改变高斯掺杂分布来调节吸收区电场分布来获得高响应率的pπn型紫外探测器。
本发明的技术解决方案是，一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，该紫外探测器包括：
一衬底(1)；
一缓冲层(2)，该缓冲层外延在衬底(1)上；
一N型欧姆接触层(3)，该N型欧姆接触层(3)制作在缓冲层(2)上；
一π型吸收层(4)；
一P型欧姆接触层(5)，该P型欧姆接触层(5)制作在π型吸收层(4)之上；
一P型欧姆接触电极(6)，该P型欧姆电极(6)制作在P型欧姆接触层(5)之上；
一N型欧姆接触电极(7)，该N型欧姆接触电极(7)为环形结构，且制作在N型欧姆接触层(3)上；
其中，所述π型吸收层(4)为垂直外延方向的渐变高斯掺杂，所述π型吸收层(4)制作在N型欧姆接触层(3)之上。
作为优化的技术方案，材料可外延在蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓衬底上。
优化的，缓冲层(2)可为低温外延的AlN材料；N型欧姆接触层(3)可为高电子浓度的N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1，掺杂浓度大于1×1018cm-3；π型吸收层(4)可以是N型或者是P型，具体掺杂分布根据探测方式不同而定。探测器的工作模式采用前端入射，所述的π型吸收层(4)为N型的高斯渐变掺杂，其掺杂浓度分布为沿P型欧姆接触层(5)向N型欧姆接触层(3)垂直方向按高斯函数规律逐渐减小。探测器的工作模式采用后端入射，所述的π型吸收层(4)为P型的高斯渐变掺杂，其P型掺杂浓度分布为沿P型欧姆接触层(5)向N型欧姆接触层(3)垂直方向按高斯函数规律逐渐增大。
优化的，P型欧姆接触层(5)可为高浓度的P型AlyGa1-yN材料，其自由空穴浓度大于1×1017cm-3。
优化的，所述缓冲层(2)的厚度为100纳米～300纳米，所述N型欧姆接触层(3)的厚度为300纳米～500纳米，所述π型吸收层(4)的厚度为150纳米～500纳米，所述P型欧姆接触层(5)厚度为70纳米。
本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器的优点是在通过吸收区高斯掺杂分布来调节电场分布，从而提高探测波段光吸收效率，进而提高探测器的光谱响应率。
附图说明：
图1是本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器的掺杂分布；
图3是本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器的光谱响应与传统结构紫外探测器的光谱响应的比较示意图。
具体实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，在本具体实施例中，本发明一种有源区高斯掺杂型GaN基PπN结构紫外探测器包括一个衬底1、一个缓冲层2、一个N型欧姆接触层3、一个π型高斯渐变掺杂吸收层4、一个P型欧姆接触层5、一个环形结构的P型欧姆接触电极6、一个环形结构的N型欧姆接触电极7。缓冲层2外延在衬底1上，N型欧姆接触层3制作在缓冲层2上，π型高斯渐变掺杂吸收层4制作在N型欧姆接触层3之上，P型欧姆接触层5制作在π型高斯渐变掺杂吸收层4之上，P型欧姆电极6制作在P型欧姆接触层5之上，N型欧姆接触电极7制作在N型欧姆接触层3上。衬底1为蓝宝石材料，缓冲层2为低温外延的AlN材料，N型欧姆接触层3为高电子浓度的N型GaN材料，其掺杂浓度为3×1018cm-3，π型吸收层4为高斯渐变掺杂的N型GaN材料，P型欧姆接触层5为高空穴浓度的P型GaN材料，其自由空穴浓度等于1×1018cm-3。
本实施例采用前端照射模式，其π型吸收层4的高斯掺杂区域经优化后的深度为200纳米，具体掺杂分布如图2所示。缓冲层2的厚度为100纳米，N型欧姆接触层3的厚度为500纳米，π型吸收层4的厚度为450纳米，P型欧姆接触层5厚度为70纳米。
如图3，所示本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器不同峰值高斯掺杂的光谱响应同均匀掺杂的比较结果，可以看出在整个掺杂区间内，高斯渐变掺杂分布如图2所示时，具有最大光谱响应值。本发明探测器的高响应率的原因在于，当紫外光从P型欧姆接触层5入射到π型吸收层4时，紫外光沿入射深度逐渐减弱，即光生的电子和空穴沿入射方向逐渐减弱。而光生载流子要在电场作用下才能形成光生电流，电场越强信号越强，高斯掺杂分布能够使电场在靠近PN界面处的电场更强，这正好对应更多的光生载流子区域。光生电流的大小正比例于载流子浓度和电场强度，本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器正是实现了使更多的光生载流子产生在更高的电场区域这一原则。因而能够获得更高的光谱响应率，同时还可以在保持光谱响应率的同时减小有源区宽度来提高探测器的响应速度。
本发明提出的一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，相比于传统有源区非故意掺杂或均匀掺杂结构紫外探测器来说，本发明提出的采取有源区高斯掺杂分布来调节电场分布，能够进一步提高探测器的光谱响应，器件性能明显改善。此外，本发明一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器该探测器的结构优势可被用于红外及其它波段探测器，所用半导体材料可以是其它化合物可调掺杂材料。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器包括：
一衬底(1)；
一缓冲层(2)，该缓冲层(2)外延在衬底(1)上，缓冲层(2)为低温外延的AlN材料；
一N型欧姆接触层(3)，该N型欧姆接触层(3)制作在缓冲层(2)上，所述N型欧姆接触层(3)为高电子浓度的N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
一N型欧姆接触电极(7)，该N型欧姆接触电极(7)为环形结构，且制作在N型欧姆接触层(3)上；
一π型吸收层(4)，所述π型吸收层(4)为高斯渐变掺杂的AlyGa1-yN材料，其中0≤y≤1；
一P型欧姆接触层(5)，该P型欧姆接触层(5)制作在π型吸收层(4)之上，所述P型欧姆接触层(5)为高浓度的P型AlyGa1-yN材料，其自由空穴浓度大于1×1017cm-3；
一P型欧姆接触电极(6)，该P型欧姆接触电极(6)制作在P型欧姆接触层(5)之上；
其中，所述π型吸收层(4)为垂直外延方向的渐变高斯掺杂，所述π型吸收层(4)制作在N型欧姆接触层(3)之上；
所述的π型吸收层(4)的N型掺杂浓度分布为沿P型欧姆接触层(5)向N型欧姆接触层(3)垂直方向按高斯函数规律逐渐减小；
探测器的工作模式为光线从前端入射，所述的π型吸收层(4)为N型的高斯渐变掺杂。
2.根据权利要求1所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述衬底(1)为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。
3.根据权利要求1所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为100纳米～300纳米，所述N型欧姆接触层(3)的厚度为300纳米～500纳米，所述π型吸收层(4)的厚度为150纳米～500纳米，所述P型欧姆接触层(5)厚度为70纳米。
4.根据权利要求1所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述N型AlxGa1-xN材料和π型AlyGa1-yN材料满足x≥y。
5.一种有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于，所述紫外探测器包括：
一衬底(1)；
一缓冲层(2)，该缓冲层(2)外延在衬底(1)上，缓冲层(2)为低温外延的AlN材料；
一N型欧姆接触层(3)，该N型欧姆接触层(3)制作在缓冲层(2)上，所述N型欧姆接触层(3)为高电子浓度的N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
一N型欧姆接触电极(7)，该N型欧姆接触电极(7)为环形结构，且制作在N型欧姆接触层(3)上；
一π型吸收层(4)，所述π型吸收层(4)为高斯渐变掺杂的AlyGa1-yN材料，其中0≤y≤1；
一P型欧姆接触层(5)，该P型欧姆接触层(5)制作在π型吸收层(4)之上，所述P型欧姆接触层(5)为高浓度的P型AlyGa1-yN材料，其自由空穴浓度大于1×1017cm-3；
一P型欧姆接触电极(6)，该P型欧姆接触电极(6)制作在P型欧姆接触层(5)之上；
其中，所述π型吸收层(4)为垂直外延方向的渐变高斯掺杂，所述π型吸收层(4)制作在N型欧姆接触层(3)之上；
所述的π型吸收层(4)的P型掺杂浓度分布为沿P型欧姆接触层(5)向N型欧姆接触层(3)垂直方向按高斯函数规律逐渐增大；
探测器的工作模式为光线从后端入射，所述的π型吸收层(4)为P型的高斯渐变掺杂。
6.根据权利要求5所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述衬底(1)为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。
7.根据权利要求5所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为100纳米～300纳米，所述N型欧姆接触层(3)的厚度为300纳米～500纳米，所述π型吸收层(4)的厚度为150纳米～500纳米，所述P型欧姆接触层(5)厚度为70纳米。
8.根据权利要求5所述的有源区高斯掺杂型pπn紫外探测器，其特征在于：所述N型AlxGa1-xN材料和π型AlyGa1-yN材料满足x≥y。
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