CN105655437A - 一种紫外雪崩光电探测器 - Google Patents
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Abstract
一种紫外雪崩光电探测器自下而上包括硅衬底1、硅基雪崩层2、缓冲层3、成核层4、吸收层5。本发明不同于常规AlGaN材料在蓝宝石或者SiC衬底生长而是采用在硅基上通过缓冲层和成核层生长而成，其中，AlGaN材料作为吸收层有效地提高了对紫外光波段的响应，硅衬底成本低、单晶尺寸大且质量高，具有低的暗电流和噪声，雪崩层也由硅材料制作而成，具有低的雪崩击穿电压。紫外光正入射进入AlGaN，激发光生电子-空穴对，在外加电场的作用下单一载流子(电子)进入硅基雪崩层触发雪崩增益，实现吸收区和雪崩区分离，具有低的雪崩击穿电压、高增益、低噪声和高带宽，具有广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测领域，特别是一种光电探测器。
背景技术
雪崩光电探测器因其内部增益，使它具有高灵敏度、低噪声和高增益带宽积的优点，能够实现对微弱信号的探测，被广泛应用于光纤通信、激光测距、单光子探测、制导技术等民用和军事领域。研究表明，由单一载流子(电子或空穴)触发的雪崩增益与双载流子触发的雪崩增益相比有更小的噪声，进一步讲，采用碰撞电离系数更大的单一载流子来触发雪崩将会带来相对更小的噪声和更大的增益，因此在硅材料当中，采用碰撞电离系数更大的电子来触发雪崩将会得到高增益、低噪声的效果。
一般地，将波长λ＝10nm～400nm的光谱区叫做紫外光区，最重要的紫外光源就是太阳。到达地表的阳光中波长低于280nm部分都已被臭氧层完全吸收掉，制作能够探测波长λ低于280nm的紫外光电探测器就能实现日盲应用，排除太阳辐射的干扰。紫外光电探测器被广泛应用在紫外制导、紫外预警、紫外干扰以及紫外通讯等军事领域，也被应用在气体探测与分析、污染监测、水银消毒以及火焰传感等民用领域。
Ⅲ族氮化物是第三代半导体，是典型的宽禁带化合物半导体材料，其中包括二元化合物(GaN、InN、AlN)，三元化合物(AlGaN、InGaN和AlInN)以及四元化合物AlInGaN，具有宽禁带，电子漂移饱和速度高、介电系数小、耐高温、耐腐蚀、抗腐蚀、导热性能好等特点，非常适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子、光电子器件。Ⅲ族氮化物是直接带隙化合物，GaN的禁带宽度为3.39eV(对应于真空波长为366nm)，AlN的禁带宽度为6.2eV(对应于波长为200nm)，通过调节AlGaN化合物中Al的组分可以实现材料吸收波长在200nm～366nm范围，自然也能实现日盲范围的探测，而硅材料对紫外波段的响应度很低，无法有效地对紫外光进行探测。Ⅲ族化合物薄膜生长技术越来越成熟，目前AlGaN薄膜的生长是在AlN缓冲层和GaN成核层上通过金属有机物化学气相淀积MOCVD或者分子束外延MBE完成的，这种材料将成为紫外区光电探测的首选材料。
目前，以AlGaN材料制作的紫外雪崩光电探测器大都以蓝宝石或者SiC为衬底，以AlN为缓冲层，以GaN为成核层制作而成，但是其吸收层和倍增层几乎都是用同一种材料AlGaN制作，此类紫外雪崩光电探测器的击穿电压一般较高，如陈敦军等提出了一种高增益的背入射SAMp-i-n-i-n结构的AlGaN紫外雪崩光电探测器(参见专利：高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器及其制备方法，申请号：201310367175.1)，虽然它将吸收区和倍增区分离从而实现高增益以及低噪声，但是其雪崩电压为77.5V，因此对该探测器的操作需要较高的偏置电压。相应地，硅衬底具有成本低、单晶尺寸大且质量高、导热率高、导电性能良好等特点，硅材料制作的雪崩区其击穿电压可以很低，并且在硅基上生在AlGaN材料的技术已经实现，如李国强提出了一种生长在Si衬底上的GaN薄膜的方法(参见专利：一种生长在Si衬底上的GaN薄膜及其制备方法和应用，申请号：201410256444.1)。
发明内容
本发明针对背景的不足之处，改进设计了一种紫外雪崩光电探测器，解决现有技术中的光电探测器击穿电压较高，成本高的问题。
本发明由硅基制作的雪崩区通过单一载流子(电子)来触发雪崩增益，相较于由AlGaN材料制作的雪崩区有更低的击穿电压和噪声，将吸收区和倍增区分离实现低击穿电压、低噪声、高增益和高带宽的一种紫外雪崩光电探测器。
因而本发明采用的技术方案是：一种紫外雪崩光电探测器，该探测器其结构从下到上依次为：硅衬底、雪崩层、缓冲层、成核层、吸收层，其特征在于雪崩层为硅基雪崩层。
进一步的，所述的硅基雪崩区为通过硅材料P型掺杂和N型掺杂形成耗尽区制作而成，结构为硅基制作的雪崩结构，通过P型区和N型区的掺杂浓度和厚度来调整雪崩击穿电压的大小。
进一步的，所述的缓冲层为通过脉冲激光沉积工艺形成的AlN缓冲层，其厚度为10～30nm。
进一步的，所述的在AlN缓冲层上通过金属有机化学气相淀积生长GaN成核层，其厚度为3～10nm。
进一步的，所述的在GaN成核层上外延生长AlGaN吸收层，该吸收层分为上、下两层，下层为本征i-AlyGa1-yN吸收层，其厚度为120nm～240nm，其中0<y<1，通过改变Al的组分用于调控吸收紫外光的波段；上层是P型掺杂的P-AlxGa1-xN，厚度为50～150nm，0<x<y<1，其空穴浓度为2×1017cm-3～4×1018cm-3，低Al组分的P-AlxGa1-xN可以在本征i-AlyGa1-yN上表面引入负极化电荷，产生一个向上的内建电场，使在吸收层中产生的光生载流子更快地相互分离，提高带宽。
需要进一步说明的是，本发明为一种紫外雪崩光电探测器，相较于其他AlGaN紫外雪崩光电探测器，其特点和有益效果有：本发明采用的是在硅材料上面外延生长AlGaN材料，AlGaN材料作为紫外光吸收区域，而下面的硅基PN结、PIN结构或者其他雪崩结构作为雪崩区域，不同于其他专利中吸收区和倍增区都使用同种材料AlGaN制作而成，同时通过AlGaN吸收层中Al组分的调整达到改变吸收紫外波段的目的，也能实现对日盲紫外光的探测，相较于硅材料有效地提高了对紫外波段的响应；紫外光正入射进入AlGaN吸收层，产生光生电子-空穴对，由于在吸收层上层低Al组分P型掺杂的AlGaN的极化作用以及外加偏置产生的高电场的共同作用下，空穴快速漂移到达P型欧姆接触电极被收集，而碰撞电离系数更大的电子单独快速地进入硅基雪崩区触发雪崩倍增，实现低噪声和高增益；硅基制作的雪崩区其击穿电压可以很低，并且可以通过P型区和N型区的掺杂浓度和厚度来调整，因此可以实现低电压偏置的应用。
附图说明
图1为本发明一种紫外雪崩光电探测器的结构示意图。
图2为本发明的实施例一。
图3为本发明的实施例二。
具体实施方式
下面结合具体实施例附图对本发明作更进一步的说明。
实施例一
如图2所示为一种紫外雪崩光电探测器，其由下至上包括：硅衬底1、N+掺杂硅2、P型掺杂硅4、AlN缓冲层5、GaN成核层6、本征i-AlyGa1-yN7、P型掺杂P-AlxGa1-xN8、P型欧姆电极9以及N型欧姆电极3，其中本征i-AlyGa1-yN7和P型掺杂P-AlxGa1-xN8作为吸收层对紫外光进行吸收，P型掺杂硅4和N+掺杂硅2形成PN结作为硅基雪崩区通过光生载流子(主要是电子)产生雪崩倍增，由此实现AlGaN吸收区和硅基倍增区的分离。
器件结构中，从硅衬底1向上，所述的N+掺杂硅2厚度大约为1μm，浓度至少为1×1019cm-3，属于PN结高浓度的一端；所述的P型掺杂硅4厚度大约为200nm，其浓度在2×1015cm-3到5×1015cm-3之间，属于PN结低浓度的一端，耗尽区更多地向此端扩展，利于光生载流子更快地发生雪崩倍增；N+掺杂硅2和P型掺杂硅4形成的PN结在外加高压电场的作用下，由吸收区产生的光生载流子(主要是电子)引发雪崩倍增，该硅基PN结能够在远低于AlGaN作为雪崩区制作的雪崩探测器的击穿电压下即可产生雪崩倍增，实现低偏置应用，此外，还能通过调节P型掺杂硅4的厚度和浓度实现偏置电压的调整。
所述的在P型掺杂硅4上生长AlN缓冲层5，其厚度为10～30nm，通过脉冲激光沉积工艺形成，缓冲层用于降低材料生长时的缺陷、应力和错位，使外延层具有良好的性能。
所述的在AlN缓冲层5上生长GaN成核层6，通过金属有机化学气相淀积而成，其厚度为3～10nm。
所述的在GaN成核层6上外延生长本征i-AlyGa1-yN7，厚度为120nm～240nm，其中0<y<1，通过改变Al的组分用于调控吸收紫外光的波段，若要实现紫外波长λ<280nm的日盲型探测，则需要将Al在本征i-AlyGa1-yN中的组分调高。
所述的在本征i-AlyGa1-yN7上外延生长P型掺杂的P-AlxGa1-xN8，厚度为50～150nm，其空穴浓度为2×1017cm-3～4×1018cm-3，其中0<x<y<1，低Al组分的P-AlxGa1-xN可以在本征i-AlyGa1-yN7上表面引入负极化电荷，产生一个向上的内建电场，使紫外光激发的光生电子-空穴对更快地相互分离，提升带宽，光生电子向下迅速漂移到达硅基PN结雪崩区，光生空穴向上漂移被P型欧姆电极9收集。
所述的N型欧姆电极3为Ti/Al/Ni/Au合金电极，所述的P型欧姆电极9为Ni/Au合金电极。
实施例二
如图3所示为一种紫外雪崩光电探测器，其由下至上包括：硅衬底1、N+掺杂硅2、本征i-Si4、P型掺杂硅P-Si5、AlN缓冲层6、GaN成核层7、本征i-AlyGa1-yN8、P型掺杂P-AlxGa1-xN9、P型欧姆电极10以及N型欧姆电极3，其中本征i-AlyGa1-yN8和P型掺杂P-AlxGa1-xN9作为吸收层对紫外光进行吸收，P型掺杂硅P-Si5、本征i-Si4和N+掺杂硅2组成PIN结构，作为硅基雪崩区通过光生载流子(主要是电子)产生雪崩倍增，由此实现AlGaN吸收区和硅基倍增区的分离。
器件结构中，从硅衬底1向上，从所述的N+掺杂硅2厚度大约为1μm，浓度至少为1×1019cm-3，属于PN结高浓度的一端；所述的本征i-Si4厚度约为110nm，掺杂浓度低于6×1015cm-3；所述的P型掺杂硅P-Si4厚度为60nm，掺杂浓度约为2×1018cm-3～4×1018cm-3之间，上述三者组成的PIN结构的雪崩区在外加高压电场的作用下，由吸收区产生的光生载流子(主要是电子)引发雪崩倍增，该硅基PIN结构能够在远低于AlGaN作为雪崩区制作的雪崩探测器的击穿电压下即可产生雪崩倍增，实现低偏置应用，此外，还能通过改变PIN结构中本征i-Si4的掺杂浓度和厚度实现偏置电压的调整。
所述的在P型掺杂硅P-Si5上生长AlN缓冲层6，其厚度为10～30nm，通过脉冲激光沉积工艺形成，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。
所述的在AlN缓冲层6上生长GaN成核层7，通过金属有机化学气相淀积而成，其厚度为3～10nm。
所述的在GaN成核层7上外延生长本征i-AlyGa1-yN8，厚度为120nm～240nm，其中0<y<1，通过改变Al的组分用于调控吸收紫外光的波段，若要实现紫外波长λ<280nm的日盲型探测，则需要将Al在本征i-AlyGa1-yN中的组分调高。
所述的在本征i-AlyGa1-yN8上外延生长P型掺杂的P-AlxGa1-xN9，厚度为50～150nm，其空穴浓度为2×1017cm-3～4×1018cm-3，其中0<x<y<1，低Al组分的P-AlxGa1-xN9可以在本征i-AlyGa1-yN8上表面引入负极化电荷，产生一个向上的内建电场，使紫外光激发的光生电子-空穴对更快地相互分离，光生电子向下迅速漂移到达硅基PN结雪崩区，光生空穴向上漂移被P型欧姆电极10收集。
所述的N型欧姆电极3为Ti/Al/Ni/Au合金电极，所述的P型欧姆电极10为Ni/Au合金电极。
以上所述只是本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明的保护范围，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种紫外雪崩光电探测器，该探测器其结构从下到上依次为：硅衬底、雪崩层、缓冲层、成核层、吸收层，其特征在于雪崩层为硅基雪崩层。
2.如权利要求1所述的一种紫外雪崩光电探测器，其特征在于所述的硅基雪崩区为通过硅材料P型掺杂和N型掺杂形成耗尽区制作而成，结构为硅基制作的雪崩结构，通过P型区和N型区的掺杂浓度和厚度来调整雪崩击穿电压的大小。
3.如权利要求1所述的一种紫外雪崩光电探测器，其特征在于所述的缓冲层为通过脉冲激光沉积工艺形成的AlN缓冲层，其厚度为10～30nm。
4.如权利要求1所述的一种紫外雪崩光电探测器，其特征在于所述的在AlN缓冲层上通过金属有机化学气相淀积生长GaN成核层，其厚度为3～10nm。
5.如权利要求1所述的一种紫外雪崩光电探测器，其特征在于所述的在GaN成核层上外延生长AlGaN吸收层，该吸收层分为上、下两层，下层为本征i-AlyGa1-yN吸收层，其厚度为120nm～240nm，其中0<y<1，通过改变Al的组分用于调控吸收紫外光的波段；上层是P型掺杂的P-AlxGa1-xN，厚度为50～150nm，0<x<y<1。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |