CN106206832B9 - 一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器，包括：衬底，缓冲层，N型欧姆接触层，I型吸收层，P型单极阻挡层，P型滤波层，N型欧姆接触电极，P型欧姆接触电极；本发明阻挡层采用渐变掺杂和渐变组分分布形成单极能带结构，使得异质结的能带偏移全部落在导带上，而价带为平坦结构，能够阻挡短波滤波层产生的电子的自由运动同时不影响吸收层空穴信号的收集。同时该结构的引入还能够阻挡暗电流的输运通道。本发明能够有效地提高探测器的短波抑制比，降低器件的暗电流，显著提高探测器的性能而不影响其响应率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子探测器件技术领域，尤其涉及一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器。
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、太阳紫外指数监测等领域。GaN基三元系合金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，其带隙对应的峰值响应波长范围是200nm–365nm，因此AlGaN是制作紫外探测器的理想材料之一。
在紫外检测的应用中，很多情况需要对特定波段的紫外线进行检测，被检测的紫外线波段往往在几十个纳米的范围内。为了实现对特定波段的检测而不受其它波段的干扰，一般采用在探测器的窗口层加特定的滤波片。在探测器的窗口层加入特定的滤光片虽然能实现特定紫外线的检测，但增加滤光片会降低紫外线监测的响应率，同时工艺复杂和成本昂贵。为了使探测器本身具有窗口选择特性，Wang等人提出背照式p-i-n结构[Appl.Phys.Lett.,73:186-188(1998)]，该结构在沉积i型和p型GaN层之前，先在蓝宝石衬底上生长n型AlGaN层，因为AlGaN的带隙比GaN要宽，可以吸收短波光子，从而使探测只对GaN截止波长和AlGaN截止波长之间的紫外线进行选择探测。但是，该结构不能很好的解决探测器在短波紫外的短波抑制比，而通过增加短波过滤层厚度虽然能够有效地提高短波抑制比，但同时也会降低探测器的量子效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够有效地提高探测器的短波抑制比并且能够提高探测器的性能的单极阻挡结构窄带通紫外探测器。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：包括：
衬底；
缓冲层，所述缓冲层外延在所述衬底之上；
N型欧姆接触层，所述N型欧姆接触层制作在所述缓冲层之上；
I型吸收层，所述I型吸收层制作在所述N型欧姆接触层之上；
P型单极阻挡层，所述P型单极阻挡层制作在所述I型吸收层之上；
P型滤波层，所述P型滤波层制作在所述P型单极阻挡层之上；
P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层制作在所述P型滤波层之上；
N型欧姆接触电极，所述N型欧姆接触电极制作在所述N型欧姆接触层之上；
P型欧姆接触电极；所述P型欧姆接触电极制作在所述P型欧姆接触层之上。
优选地，
所述衬底为蓝宝石衬底；
所述缓冲层为低温外延的GaN材料；
所述N型欧姆接触层为高电子浓度的N型GaN材料；
所述I型吸收层为非故意掺杂的N型AlzGa1-zN材料，其中0≤z＜1；
所述P型单极阻挡层为渐变掺杂和Al组分渐变分布的P型AlyGa1-yN材料，其中0＜y≤1；
所述P型滤波层为高电子浓度的P型AlxGa1-xN材料，其中0＜x＜1，y＞x＞z。
优选地，所述I型吸收层和所述P型单极阻挡层界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中Al组分由所述I型吸收层的z线性变化到所述P型单极阻挡层的y；在所述P型单极阻挡层外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中Al组分为y不变；在所述P型单极阻挡层外延厚度为40nm～60nm范围内AlGaN中Al组分由y线性降低至所述P型滤波层界面处的x。
优选地，所述P型单极阻挡层的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
优选地，所述N型欧姆接触电极为钛金合金，所述P型欧姆接触电极为镍金合金。
优选地，
所述缓冲层的厚度为30nm；
所述N型欧姆接触层的厚度为500nm～4000nm；
所述I型吸收层的厚度为500nm；
所述P型单极阻挡层的厚度为60nm；
所述P型滤波层的厚度为150nm～500nm；
所述P型欧姆接触层的厚度为10nm。
优选地，
所述N型欧姆接触层的掺杂浓度不小于1×1018cm-3；
所述P型单极阻挡层的掺杂浓度不小于2×1017cm-3；
所述P型滤波层的掺杂浓度不小于2×1017cm-3。
本发明的优点在于：通过单极阻挡势垒结构对器件的输运模式进行选择，通过优化不同外延层材料的组份来选择不同的探测器波段和带宽，单极阻挡层不但能够有效地提高探测器的短波抑制比，还能够降低紫外探测器暗电流，从而提高紫外探测器的性能。
附图说明
图1是本发明的实施例的单极阻挡结构窄带通紫外探测器整体结构示意图；
图2是本发明实施例的单极阻挡结构窄带通紫外探测器沿外延方向的Al组分和掺杂浓度分布；
图3是本发明实施例的单极阻挡结构窄带通紫外探测器的工作原理图；
图4是本发明的光谱相应于传统结构紫外探测器的光谱响应的比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器，包括衬底1，还包括缓冲层2，N型欧姆接触层3，I型吸收层4，P型单极阻挡层5，P型滤波层6，P型欧姆接触层7，N型欧姆接触电极8，P型欧姆接触电极9。
实施例1
所述衬底1为蓝宝石衬底。
所述缓冲层2生长在所述蓝宝石衬底1上，为低温外延的GaN材料；所述缓冲层2的厚度为30nm。
所述N型欧姆接触层3制作在所述缓冲层2上，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度为1×1018cm-3；所述N型欧姆接触层3的厚度为500nm。
所述I型吸收层4制作在所述N型欧姆接触层3上，为非故意掺杂的N型GaN材料；所述I型吸收层4的厚度为500nm。
所述P型单极阻挡层5制作在所述I型吸收层4上，为P型Al0.3Ga0.7N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；所述P型单极阻挡层5的厚度为60nm。
所述P型滤波层6制作在所述P型单极阻挡层5上，为高电子浓度的P型Al0.1Ga0.9N材料，掺杂浓度为2×1017cm-3；所述P型滤波层6的厚度为150nm。
所述P型欧姆接触层7制作在所述P型滤波层6之上；所述P型欧姆接触层7的厚度为10nm。
所述N型欧姆接触电极8制作在所述N型欧姆接触层3之上。
所述P型欧姆接触电极9制作在所述P型欧姆接接触层7之上。
所述I型吸收层4和所述P型单极阻挡层5界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中的Al组分由所述I型吸收层4的0线性变化到所述P型单极阻挡层5的0.3；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中的Al组分为0.3不变；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为40nm～60nm范围内，AlGaN中的Al组分由0.3线性降低至所述P型滤波层6界面处的0.1。
所述P型单极阻挡层5的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
实施例2
所述衬底1为蓝宝石衬底。
所述缓冲层2生长在所述蓝宝石衬底1上，为低温外延的GaN材料；所述缓冲层2的厚度为30nm。
所述N型欧姆接触层3制作在所述缓冲层2上，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度为2×1018cm-3；所述N型欧姆接触层3的厚度为2000nm。
所述I型吸收层4制作在所述N型欧姆接触层3上，为非故意掺杂的N型GaN材料；所述I型吸收层4的厚度为500nm。
所述P型单极阻挡层5制作在所述I型吸收层4上，为P型Al0.3Ga0.7N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；所述P型单极阻挡层5的厚度为60nm。
所述P型滤波层6制作在所述P型单极阻挡层5上，为高电子浓度的P型Al0.1Ga0.9N材料，掺杂浓度为2×1017cm-3；所述P型滤波层6的厚度为300nm。
所述P型欧姆接触层7制作在所述P型滤波层6之上；所述P型欧姆接触层7的厚度为10nm。
所述N型欧姆接触电极8制作在所述N型欧姆接触层3之上。
所述P型欧姆接触电极9制作在所述P型欧姆接接触层7之上。
所述I型吸收层4和所述P型单极阻挡层5界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中的Al组分由所述I型吸收层4的0线性变化到所述P型单极阻挡层5的0.3；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中的Al组分为0.3不变；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为40nm～60nm范围内AlGaN中的Al组分由0.3线性降低至所述P型滤波层6界面处的0.1。
所述P型单极阻挡层5的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
实施例3
所述衬底1为蓝宝石衬底。
所述缓冲层2生长在所述蓝宝石衬底1上，为低温外延的GaN材料；所述缓冲层2的厚度为30nm。
所述N型欧姆接触层3制作在所述缓冲层2上，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度为5×1018cm-3；所述N型欧姆接触层3的厚度为4000nm。
所述I型吸收层4制作在所述N型欧姆接触层3上，为非故意掺杂的N型Al0.1Ga0.9N材料；所述I型吸收层4的厚度为500nm。
所述P型单极阻挡层5制作在所述I型吸收层4上，为P型Al0.4Ga0.6N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；所述P型单极阻挡层5的厚度为60nm。
所述P型滤波层6制作在所述P型单极阻挡层5上，为高电子浓度的P型Al0.2Ga0.8N材料，掺杂浓度为2×1017cm-3；所述P型滤波层6的厚度为500nm。
所述P型欧姆接触层7制作在所述P型滤波层6之上；所述P型欧姆接触层7的厚度为10nm。
所述N型欧姆接触电极8制作在所述N型欧姆接触层3之上。
所述P型欧姆接触电极9制作在所述P型欧姆接接触层7之上。
所述I型吸收层4和所述P型单极阻挡层5界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中的Al组分由所述I型吸收层4的0.1线性变化到所述P型单极阻挡层5的0.4；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中的Al组分为0.4不变；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为40nm～60nm范围内AlGaN中的Al组分由0.4线性降低至所述P型滤波层6界面处的0.2。
所述P型单极阻挡层5的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
实施例4
所述衬底1为蓝宝石衬底。
所述缓冲层2生长在所述蓝宝石衬底1上，为低温外延的GaN材料；所述缓冲层2的厚度为30nm。
所述N型欧姆接触层3制作在所述缓冲层2上，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；所述N型欧姆接触层3的厚度为500nm～4000nm。
所述I型吸收层4制作在所述N型欧姆接触层3上，为非故意掺杂的N型AlzGa1-zN材料，其中0≤z＜1；所述I型吸收层4的厚度为500nm。
所述P型单极阻挡层5制作在所述I型吸收层4上，为渐变掺杂和Al组分渐变分布的P型AlyGa1-yN材料，其中0＜y≤1，掺杂浓度大于2×1017cm-3；所述P型单极阻挡层5的厚度为60nm。
所述P型滤波层6制作在所述P型单极阻挡层5上，为高电子浓度的P型AlxGa1-xN材料，其中0＜x＜1，y＞x＞z，掺杂浓度大于2×1017cm-3；所述P型滤波层6的厚度为150nm～500nm。
所述P型欧姆接触层7制作在所述P型滤波层6之上；所述P型欧姆接触层7的厚度为10nm。
所述N型欧姆接触电极8制作在所述N型欧姆接触层3之上。
所述P型欧姆接触电极9制作在所述P型欧姆接接触层7之上。
所述I型吸收层4和所述P型单极阻挡层5界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中的Al组分由所述I型吸收层4的z线性变化到所述P型单极阻挡层5的y；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中的Al组分为y不变；在所述P型单极阻挡层5外延厚度为40nm～60nm范围内AlGaN中的Al组分由y线性降低至所述P型滤波层6界面的x。
所述P型单极阻挡层5的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
在实施例一中，所述P型单极阻挡层5为渐变掺杂和Al组分渐变的AlGaN材料，掺杂浓度和Al组分沿外延方向分布如图2所示。
如图3所示，一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器的工作原理是，采用前照射入光方式进行工作时，在小反偏压条件下，当紫外光入射到所述P型滤波层6时，光子能量大于所述P型滤波层6的禁带宽度的紫外光将被吸收。光生电子为少子，在反向偏压的作用下将有一部分向所述I型吸收层4漂移或扩散，剩余部分被复合。所加偏压较小不足以将短波所述P型滤波层6耗尽，因此光生载流子主要靠扩散进入所述I型吸收层4，由于所述P型单极阻挡层5存在，电子必须要经过所述P型单极阻挡层5的材料形成的势垒才能进入所述I型吸收层4，因此能够更为有效的抑制短波响应，从而提高短波抑制比。入射紫外光中只有光子能量小于AlxGa1-xN材料禁带宽度的紫外线成分才能进入所述I型吸收层4，光生电子很容易通过所述N型欧姆接触层3到达所述N型欧姆接触电极8被吸收，由于单极能带价带势垒高度接近于零，光生空穴能够顺利通过势垒层被所述P型欧姆接触电极9接收，所述N型欧姆接触层3的光信号几乎不会受到势垒的影响，这部分窄带宽的紫外线将被吸收形成探测信号。同时，由于势垒的存在，表面漏电通道将被势垒阻挡，在外加小偏压的作用下无法通过隧穿通过势垒，因此该结构具有较低的暗电流。
图4为实施例一和实施例二分别与对应的传统结构探测器的光谱响应比较，实施例一和实施例二的所述P型滤波层6厚度分别为150nm和300nm。结果表明新结构相对于传统结构具有更高的短波异质比，器件性能有明显的提高。
本发明公开的一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器，相比于传统前照射PIN结构紫外探测器来说，本发明提出的采取渐变掺杂和渐变组分分布的宽带隙阻挡层结构能有效的提高短波抑制比，降低暗电流，器件性能明显改善。此外，本发明提供的一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器的结构优势可被用于其它化合物可调直接带隙材料，用于制作不同波段窄带通探测器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单极阻挡结构窄带通紫外探测器，包括：
衬底；
缓冲层，所述缓冲层外延在所述衬底之上；
N型欧姆接触层，所述N型欧姆接触层制作在所述缓冲层之上；
I型吸收层，所述I型吸收层制作在所述N型欧姆接触层之上；
P型单极阻挡层，所述P型单极阻挡层制作在所述I型吸收层之上；
P型滤波层，所述P型滤波层制作在所述P型单极阻挡层之上；
P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层制作在所述P型滤波层之上；
N型欧姆接触电极，所述N型欧姆接触电极制作在所述N型欧姆接触层之上；
P型欧姆接触电极；所述P型欧姆接触电极制作在所述P型欧姆接触层之上；
其特征在于：
所述衬底为蓝宝石衬底；
所述缓冲层为低温外延的GaN材料；
所述N型欧姆接触层为高电子浓度的N型GaN材料；
所述I型吸收层为非故意掺杂的N型AlzGa1-zN材料，其中0≤z＜1；
所述P型单极阻挡层为渐变掺杂和Al组分渐变分布的P型AlyGa1-yN材料，其中0＜y≤1；
所述P型滤波层为高电子浓度的P型AlxGa1-xN材料，其中0＜x＜1，y＞x＞z。
2.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：所述I型吸收层和所述P型单极阻挡层界面处外延厚度为20nm的范围内，AlGaN中Al组分由所述I型吸收层的z线性变化到所述P型单极阻挡层的y；在所述P型单极阻挡层外延厚度为20nm～40nm范围内，AlGaN中Al组分为y不变；在所述P型单极阻挡层外延厚度为40nm～60nm范围内AlGaN中Al组分由y线性降低至所述P型滤波层界面处的x。
3.根据权利要求2所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：所述P型单极阻挡层的掺杂分布为沿该层中心向两侧按高斯掺杂分布，掺杂类型为P型，中心掺杂浓度为1×1018cm-3，两侧边界处掺杂浓度为2×1017cm-3。
4.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：所述N型欧姆接触电极为钛金合金，所述P型欧姆接触电极为镍金合金。
5.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：
所述缓冲层的厚度为30nm；
所述N型欧姆接触层的厚度为500nm～4000nm；
所述I型吸收层的厚度为500nm；
所述P型单极阻挡层的厚度为60nm；
所述P型滤波层的厚度为150nm～500nm；
所述P型欧姆接触层的厚度为10nm。
6.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：
所述N型欧姆接触层的掺杂浓度不小于1×1018cm-3；
所述P型单极阻挡层的掺杂浓度不小于2×1017cm-3；
所述P型滤波层的掺杂浓度不小于2×1017cm-3。
7.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：
所述N型欧姆接触层厚度为500nm，掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述I型吸收层为非故意掺杂的N型GaN材料；
所述P型单极阻挡层为P型Al0.3Ga0.7N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述P型滤波层为高电子浓度的P型Al0.1Ga0.9N材料，厚度为150nm，掺杂浓度为2×1017cm-3。
8.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：
所述N型欧姆接触层厚度为2000nm，掺杂浓度为2×1018cm-3；
所述I型吸收层为非故意掺杂的N型GaN材料；
所述P型单极阻挡层为P型Al0.3Ga0.7N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述P型滤波层为高电子浓度的P型Al0.1Ga0.9N材料，厚度为300nm，掺杂浓度为2×1017cm-3。
9.根据权利要求1所述的单极阻挡结构窄带通紫外探测器，其特征在于：
所述N型欧姆接触层厚度为4000nm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
所述I型吸收层为非故意掺杂的N型Al0.1Ga0.9N材料；
所述P型单极阻挡层为P型Al0.4Ga0.6N材料，中心掺杂浓度为1×1018cm-3；
所述P型滤波层为高电子浓度的P型Al0.2Ga0.8N材料，厚度为500nm，掺杂浓度为2×1017cm-3。
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