CN106409967A - p‑i‑n—‑n型GaN单光子雪崩探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种p‑i‑n‑‑n型GaN单光子雪崩探测器，包括由上向下依次设置的p‑GaN上接触层、i‑GaN雪崩倍增层、n‑‑GaN空穴注入层和n‑AlGaN下接触层，其中所述n‑‑GaN空穴注入层为轻掺杂。本发明以n‑‑GaN/n‑AlGaN异质结取代传统pin型结构的n‑GaN层，n‑‑GaN作为吸收注入层，n‑AlGaN作为下接触层，既利于有源区外延材料的晶体质量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n‑‑GaN层的掺杂浓度、厚度等参数灵活可调，通过折衷优化可在较低工作偏压下获得极高的雪崩增益。
Description
技术领域
本发明属于宽禁带半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器。
背景技术
目前，随着探测技术的不断升级，紫外探测器正由第一、二代电真空器件向第三代灵巧型的全固态器件发展。根据材料体系的不同，全固态紫外探测器主要分为ZnMgO/ZnO、金刚石、Si、SiC、AlGaN/GaN等几类技术。其中，ZnMgO/ZnO与金刚石虽然在材料属性上具有宽禁带、热稳定性好、介电常数高等优点，但受制于现有的材料技术水平，该两类探测器均存在电学特性重复性差，持续光电流效应明显，探测灵敏度较低的问题，目前尚不能在技术上得到有效解决。Si探测器的材料技术与器件工艺成熟，可在紫外波段获得较高的灵敏度，但无法实现本征紫外截止，在使用中需要紫外滤光片的配合，并且成像探测需在深制冷条件下工作。SiC与(Al)GaN探测器均属于宽禁带半导体器件，可实现本征紫外响应，材料属性优越，相关技术发展较为充分，现已成为高灵敏固态紫外探测器的主要发展方向。与SiC相比，(Al)GaN属于直接带隙半导体，光电吸收系数高，且通过组分变化可实现禁带宽度连续可调，施行异质结结构设计，使得探测器可采用背照式结构，尤其适合于倒装混成的高灵敏焦平面阵列成像器件制作。
由于对大多数应用环境而言，紫外信号均非常微弱，尤其在紫外告警、生化战剂探测、光电制导以及NLOS通信、量子通信等应用中，探测器的最低接收辐照接近单光子量级，这要求探测器具有一个很高水平的内部光电流增益。然而，普通的PIN光电二极管或线性模式的APD难以满足要求，也就是说，目前GaN单光子雪崩探测器存在雪崩内增益不足、单光子探测效率偏低、所需工作偏压较高等性能问题。
发明内容
本发明提供一种p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，以解决目前GaN单光子雪崩探测器存在的雪崩内增益不足、单光子探测效率偏低、所需工作偏压较高的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，包括由上向下依次设置的p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层、n—-GaN空穴注入层和n-AlGaN下接触层，其中所述n—-GaN空穴注入层为轻掺杂。
在一种可选的实现方式中，所述p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层和n—-GaN空穴注入层构成侧面为梯形的斜台面结构，且在所述p-GaN上接触层的上表面设置有上电极，在所述n-AlGaN下接触层的上表面上设置有下电极。
在另一种可选的实现方式中，所述p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器还包括由上向下依次设置的多层缓冲区、AIN模板层或成核缓冲层、衬底和微透镜，所述多层缓冲区为所述n-AlGaN下接触层的下一层。
在另一种可选的实现方式中，所述p-GaN上接触层的厚度取值范围为250nm～300nm，有效掺杂浓度≥1E+18cm-3，受主杂质为Mg。
在另一种可选的实现方式中，所述i-GaN雪崩倍增层的的厚度取值范围为100nm～200nm，背景载流子浓度为≤5E+16cm-3。
在另一种可选的实现方式中，所述n—-GaN空穴注入层的厚度取值范围为100nm～150nm，有效掺杂浓度为5～9E+17cm-3，施主杂质为Si。
在另一种可选的实现方式中，所述n-AlGaN下接触层的Al组分的摩尔分数为30％～50％，外延厚度≥200nm，有效掺杂浓度为3～5E+18cm-3，施主杂质为Si。
在另一种可选的实现方式中，所述斜台面结构的倾斜角≤45°，且其台面为圆形。
在另一种可选的实现方式中，所述多层缓冲区采用多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层结构，Al组分的摩尔分数大于70％，周期数不少于10。
在另一种可选的实现方式中，所述微透镜与斜台面结构的台面对应设置。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用背入射p-i-n—-n型异质外延结构，利用n—-GaN空穴注入层层内的空穴少子发动倍增，可以获得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入层为轻掺杂时，该层的插入大大提高了结构优化的自由度，低掺杂浓度一方面可有效减小杂质散射作用，有利于提高少子空穴的扩散长度，增大光生空穴向本征倍增区(i-GaN)的注入效率；另一方面，通过调制n—-GaN层厚度，可有效抑制异质界面失配位错缺陷向i-GaN倍增内的攀延，避免整个器件发生体内提前击穿。n—-GaN层的掺杂浓度与厚度等参数应当设定在合适范围内，否则，由于梯度电场的存在及电荷区的拓宽，i-GaN倍增区的电场强度有可能难以达到离化临界阈值；
2、本发明以n—-GaN/n-AlGaN异质结取代传统pin型结构的n-GaN层，n—-GaN作为吸收注入层，n-AlGaN作为下接触层，既利于有源区外延材料的晶体质量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN层的掺杂浓度、厚度等参数灵活可调，通过折衷优化可在较低工作偏压下获得极高的雪崩增益；
3、本发明通过使所述p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层和n—-GaN空穴注入层构成侧面为梯形的斜台面结构，对台面斜角的工艺进行控制，可以有效降低台面侧壁的表面电场，避免器件因表面漏电发生提前击穿；
4、本发明通过在衬底背面制作微透镜，可以通过光学汇聚效应补偿斜台面与小光敏面造成的光能量收集问题，从而可以进一步提高器件灵敏度。
附图说明
图1是本发明p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器的一个实施例结构示意图。该p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器可以包括包括由上向下依次设置的p-GaN上接触层110、i-GaN雪崩倍增层120、n—-GaN空穴注入层130、n-AlGaN下接触层140、多层缓冲区150、AIN模板层或成核缓冲层160、衬底170和微透镜180，其中所述n—-GaN空穴注入层130为轻掺杂，所述p-GaN上接触层110、i-GaN雪崩倍增层120和n—-GaN空穴注入层130构成侧面为梯形的斜台面结构，且在所述p-GaN上接触层110的上表面设置有上电极190，在所述n—-GaN空穴注入层130两侧，所述n-AlGaN下接触层140的上表面上设置有下电极200。需要注意的是：每层前面所标记的材料符号(诸如p-GaN、i-GaN、n—-GaN和n-AlGaN)都表示该层由对应的该种材料制成，并且n—表示该层为n型轻掺杂。
经研究发现，采用背入射p-i-n—-n型异质外延结构，利用n—-GaN空穴注入层层内的空穴少子发动倍增，可以获得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入层为轻掺杂时，该层的插入大大提高了结构优化的自由度，低掺杂浓度一方面可有效减小杂质散射作用，有利于提高少子空穴的扩散长度，增大光生空穴向本征倍增区(i-GaN)的注入效率；另一方面，通过调制n—-GaN层厚度，可有效抑制异质界面失配位错缺陷向i-GaN倍增内的攀延，避免整个器件发生体内提前击穿。n—-GaN层的掺杂浓度与厚度等参数应当设定在合适范围内，否则，由于梯度电场的存在及电荷区的拓宽，i-GaN倍增区的电场强度有可能难以达到离化临界阈值。本实施例中，所述n—-GaN空穴注入层130的厚度为100nm～150nm，有效掺杂浓度为5～9E+17cm-3，施主杂质为Si。
经研究发现，采用重掺杂的宽带隙N-AlGaN作为下接触层140，既能避免目标谱段光子到达n—-GaN(吸收注入层)之前的背入射吸收，又能缓释晶格失配应力，改善有源区界面质量，降低光生载流子的界面复合。本实施例中，所述n-AlGaN下接触层140的Al组分的摩尔分数为30％～50％，外延厚度≥200nm，有效掺杂浓度为3～5E+18cm-3，施主杂质为Si。本发明以n—-GaN/n-AlGaN异质结取代传统pin型结构的n-GaN层，n—-GaN作为吸收注入层，n-AlGaN作为下接触层，既利于有源区外延材料的晶体质量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN层的掺杂浓度、厚度等参数灵活可调，通过折衷优化可在较低工作偏压下获得极高的雪崩增益。
另外，本发明通过使所述p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层和n—-GaN空穴注入层构成侧面为梯形的斜台面结构，对台面斜角的工艺进行控制，可以有效降低台面侧壁的表面电场，避免器件因表面漏电发生提前击穿。本实施例中，斜台面结构的倾斜角≤45°，且其台面为圆形，圆形利于制作均匀性良好的斜台面，与方形比较，更有利于改善边缘电场的分布特性；此外，还可以采用SiO2或SiNx介质膜钝化器件斜台面。本发明通过在衬底背面制作微透镜，可以通过光学汇聚效应补偿斜台面与小光敏面造成的光能量收集问题，从而可以进一步提高器件灵敏度。
本实施例中，可以利用MOCVD生长技术制备图1所示的外延结构，其中外延材料衬底170可以为双面抛光蓝宝石或AlN单晶衬底，衬底170上生长AlN模板层或成核缓冲层160，其作用是缓释晶格失配应力、抑制晶格失配位错，改善后续材料生长质量。由于AlN模板层或成核缓冲层160的厚度太薄不能有效抑制失配位错的攀延，厚度太厚将导致材料出现裂纹，为了避免出现上述缺陷，本实施例中AlN模板层或成核缓冲层160厚度的取值范围为0.8μm～1.5μm。在AlN模板层或成核缓冲层160上生长多层缓冲区150，该多层缓冲区150，可以采用多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层结构(即AlN/AlGaN交替生长，最底层为AIN层)，目的是进一步有效缓释晶格失配应力、抑制晶格失配位错，超晶格层厚极薄(几十纳米)，可以实现完全应变生长，避免失配应力造成的晶格弛豫，能够有效抑制位错缺陷。此外，多层缓冲区150中Al组分的摩尔分数不低于70％，Al组分过小容易造成AlN/AlGaN之间的应力增大，超晶格周期数不低于10，周期数过少对位错缺陷抑制效果不理想。
在多层缓冲区150上生长n+-AlxGa1-xN下接触层140，在n+-AlxGa1-xN下接触层140上生长n—-GaN空穴注入层130，在n—-GaN空穴注入层130上生长i-GaN雪崩倍增层120，在i-GaN雪崩倍增层120上生长p-GaN上接触层110。其中，p-GaN上接触层110的厚度太薄无法获得高质量的接触层材料，太厚不利于光生载流子的收集；较高的p型有效掺杂浓度是获得低阻欧姆接触的重要前提。因此，p-GaN上接触层110厚度的取值范围为250nm～300nm，有效掺杂浓度≥1E+18cm-3，受主杂质为Mg。
采用斜台面工艺制作器件，台面斜角≤45°，台面为圆形台面；采用SiO2或SiNx介质膜钝化器件斜台面；下电极采用Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au多层金属，上电极采用Ni/Au双层金属。采用双面光刻、干法刻蚀等工艺在器件芯片背面原位制作微透镜，微透镜结构尺寸与光敏元尺寸及斜角大小相匹配，满足高效率聚光要求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，包括由上向下依次设置的p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层、n—-GaN空穴注入层和n-AlGaN下接触层，其中所述n—-GaN空穴注入层为轻掺杂。
2.根据权利要求1所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述p-GaN上接触层、i-GaN雪崩倍增层和n—-GaN空穴注入层构成侧面为梯形的斜台面结构，且在所述p-GaN上接触层的上表面设置有上电极，在所述n-AlGaN下接触层的上表面上设置有下电极。
3.根据权利要求1或2所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器还包括由上向下依次设置的多层缓冲区、AIN模板层或成核缓冲层、衬底和微透镜，所述多层缓冲区为所述n-AlGaN下接触层的下一层。
4.根据权利要求1所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述p-GaN上接触层的厚度取值范围为250nm～300nm，有效掺杂浓度≥1E+18cm-3，受主杂质为Mg。
5.根据权利要求1所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述i-GaN雪崩倍增层的的厚度取值范围为100nm～200nm，背景载流子浓度为≤5E+16cm-3。
6.根据权利要求1所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述n—-GaN空穴注入层的厚度取值范围为100nm～150nm，有效掺杂浓度为5～9E+17cm-3，施主杂质为Si。
7.根据权利要求1所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述n-AlGaN下接触层的Al组分的摩尔分数为30％～50％，外延厚度≥200nm，有效掺杂浓度为3～5E+18cm-3，施主杂质为Si。
8.根据权利要求2所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述斜台面结构的倾斜角≤45°，且其台面为圆形。
9.根据权利要求3所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述多层缓冲区采用多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层结构，Al组分的摩尔分数大于70％，周期数不少于10。
10.根据权利要求3所述的p-i-n—-n型GaN单光子雪崩探测器，其特征在于，所述微透镜与斜台面结构的台面对应设置。
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