CN108305907B - 一种新型同质结pin紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种新型同质结PIN紫外探测器，包括衬底、缓冲层、N型欧姆接触层、吸收层、P型梯度掺杂层、N型欧姆接触电极、P型欧姆接触电极；所述缓冲层设置在衬底上；N型欧姆接触层设置在缓冲层上；吸收层和N型欧姆接触电极均设置在N型欧姆接触层上，所述N型欧姆接触电极为环形，且吸收层位于N型欧姆接触电极的环内；P型梯度掺杂层设置在吸收层上；P型欧姆接触电极设置在P型梯度掺杂层上，所述探测器的工作模式为光线从前端入射。本发明的优点在于：通过P型梯度掺杂层来调节电场分布，从而提高P型梯度掺杂层光生载流子的收集效率，进而提高探测器的光谱响应率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种新型同质结PIN紫外探测器。
背景技术
紫外探测技术在导弹预警、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具有广泛的应用。随着宽禁带半导体技术的发展，尤其三五族氮化物材料技术的成熟，给全固态紫外探测器的发展带来了机遇。三五族氮化物材料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，可以通过调节化合物材料的铝组分来改变半导体材料的带隙，使的AlGaN探测器的本征截止波长能够从365nm连续变化到200nm。GaN基紫外探测器具有全固态，体积小，不受可见光的干扰等优点。GaN基PIN型结构紫外探测器由于量子效率高、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。而常规 GaN基PIN型结构紫外探测器，由于P型区对入射光的吸收会降低探测器的响应率，一般通过降低P型梯度掺杂层厚度或者采用异质外延更高Al组分的P型层来提高响应率。但降低P型梯度掺杂层厚度会增加欧姆电极的制备难度和增大暗电流，而采用异质外延技术又会带来界面极化问题和牺牲短波响应率的困扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种既无需采用异质外延技术又不用改变P型梯度掺杂层厚度，而通过改变P型梯度掺杂层掺杂分布来改变器件内部电场分布来获得高响应率的紫外探测器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种新型同质结PIN 紫外探测器，包括衬底、缓冲层、N型欧姆接触层、吸收层、P型梯度掺杂层、N型欧姆接触电极、P型欧姆接触电极；所述缓冲层设置在衬底上，缓冲层为低温外延的AlN材料；N型欧姆接触层设置在缓冲层上，N型欧姆接触层为高电子浓度的N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤0.3；吸收层和N型欧姆接触电极均设置在N型欧姆接触层上，所述N型欧姆接触电极为环形，且吸收层位于N型欧姆接触电极的环内，吸收层为非故意掺杂的弱N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x ≤0.3；P型梯度掺杂层设置在吸收层上，P型梯度掺杂层为P型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤0.3；P型欧姆接触电极设置在P型梯度掺杂层上，所述探测器的工作模式为光线从前端入射。
优化的，所述衬底由纳米图形化蓝宝石材料制成。
优化的，所述缓冲层的厚度为150nm-300nm。
优化的，所述N型欧姆接触层的厚度为300nm-500nm，掺杂浓度大于 1×1018cm-3。
优化的，所述吸收层的厚度为300nm-500nm，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
优化的，所述P型梯度掺杂层厚度为70nm。
优化的，所述P型梯度掺杂层为P型渐变掺杂，掺杂浓度沿外延方向高斯分布；中心峰值浓度在P型上表面，向P型与I型界面处按高斯分布逐渐减小，其峰值自由空穴浓度大于1×1018cm-3。
优化的，所述缓冲层的厚度为150nm；所述N型欧姆接触层的厚度为300nm，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；所述吸收层的厚度为300nm，为非故意掺杂的弱N型GaN材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
优化的，所述缓冲层的厚度为200nm；所述N型欧姆接触层的厚度为400nm，为高电子浓度的N型Al0.17Ga0.83N材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；所述吸收层的厚度为400nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.17Ga0.83N材料，其自由电子浓度为 1×1016cm-3；所述P型梯度掺杂层厚度为70nm，为P型Al0.17Ga0.83N材料。
优化的，所述缓冲层的厚度为300nm；所述N型欧姆接触层的厚度为500nm，为高电子浓度的N型Al0.3Ga0.7N材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；所述吸收层的厚度为500nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.3Ga0.7N材料，其自由电子浓度为 1×1016cm-3；所述P型梯度掺杂层厚度为70nm，为P型Al0.3Ga0.7N材料。
本发明的有益效果：通过P型梯度掺杂层来调节电场分布，从而提高P型梯度掺杂层光生载流子的收集效率，进而提高探测器的光谱响应率。
附图说明
图1为本发明实施例中新型同质结构PIN紫外探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例中新型同质结构PIN紫外探测器的掺杂分布；
图3为本发明实施例中新型同质结构PIN紫外探测器的光谱响应与传统结构PIN紫外探测器的光谱响应的比较示意图。
其中，衬底-1、缓冲层-2、N型欧姆接触层-3、吸收层-4、P型梯度掺杂层 -5、N型欧姆接触电极-6、P型欧姆接触电极-7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例一：
如图1所示，一种新型同质结PIN紫外探测器，包括衬底1、缓冲层2、N 型欧姆接触层3、吸收层4、P型梯度掺杂层5、N型欧姆接触电极6、P型欧姆接触电极7；所述缓冲层2设置在衬底1上，缓冲层2为低温外延的AlN材料； N型欧姆接触层3设置在缓冲层2上，N型欧姆接触层3为高电子浓度的N型 GaN材料；吸收层4和N型欧姆接触电极6均设置在N型欧姆接触层3上，所述N型欧姆接触电极6为环形，且吸收层4位于N型欧姆接触电极6的环内，吸收层4为非故意掺杂的弱N型GaN材料；P型梯度掺杂层5设置在吸收层4 上，P型梯度掺杂层5为P型GaN材料；P型欧姆接触电极7设置在P型梯度掺杂层5上，所述探测器的工作模式为光线从前端入射。
所述衬底1由纳米图形化蓝宝石材料制成。
所述缓冲层2的厚度为150nm。
所述N型欧姆接触层3的厚度为300nm，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
所述吸收层4的厚度为300nm，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
所述P型梯度掺杂层5厚度为70nm。
所述P型梯度掺杂层5为P型渐变掺杂，掺杂浓度沿外延方向高斯分布；中心峰值浓度在P型上表面，向P型与I型界面处按高斯分布逐渐减小，其峰值自由空穴浓度大于1×1018cm-3。
探测器的工作模式为光线从前端入射。
如图2所示为沿外延方向的掺杂浓度分布。
如图3所示为本发明一种新型同质结PIN紫外探测器的光谱响应同传统PIN 紫外探测器的比较结果，可以看出在整个光谱响应范围内，如图2所示掺杂分布的新型同质结PIN紫外探测器具有更大光谱响应值。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：
所述缓冲层2为低温外延的AlN材料，厚度为200nm。
所述N型欧姆接触层3的厚度为400nm，为高电子浓度的N型Al0.17Ga0.83N 材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
所述吸收层4的厚度为400nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.17Ga0.83N材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
所述P型梯度掺杂层5厚度为70nm，为P型Al0.17Ga0.83N材料。
实施例三：
本实施例与实施例一、二的区别在于：
所述缓冲层2为低温外延的AlN材料，厚度为300nm。
所述N型欧姆接触层3的厚度为500nm，为高电子浓度的N型Al0.3Ga0.7N 材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
所述吸收层4的厚度为500nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.3Ga0.7N材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
所述P型梯度掺杂层5厚度为70nm，为P型Al0.3Ga0.7N材料。
本发明探测器的高响应率的原因在于，当紫外光从P型梯度掺杂层5入射时，由于AlxGa1-xN材料具有较大的吸收系数，大量紫外线会在P型梯度掺杂层5被吸收，而传统结构探测器由于P型梯度掺杂层5的掺杂相对吸收层4的本征掺杂较高，耗尽几乎全部落在吸收层4，P型梯度掺杂层5的光生载流子要靠扩散才能进入吸收层4，大部分P型梯度掺杂层5产生的载流子将被复合而无法形成信号电流。P型梯度掺杂层5的引入能够使耗尽区进入几乎整个P型梯度掺杂层5，使P型梯度掺杂层5形成电场，将P型梯度掺杂层5产生的载流子通过电场漂移吸收，大大提高响应率和响应速度。
本发明实现了P型梯度掺杂层5光生载流子的有效利用，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增加探测器的响应速度。相比于传统PIN结构紫外探测器来说，本发明采取P型梯度掺杂层5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高吸收系数材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：包括衬底(1)、缓冲层(2)、N型欧姆接触层(3)、吸收层(4)、P型梯度掺杂层(5)、N型欧姆接触电极(6)、P型欧姆接触电极(7)；
所述缓冲层(2)设置在衬底(1)上，缓冲层(2)为低温外延的AlN材料；
N型欧姆接触层(3)设置在缓冲层(2)上，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≤0.3，N型欧姆接触层(3)的掺杂浓度大于1×1018cm-3；
吸收层(4)和N型欧姆接触电极(6)均设置在N型欧姆接触层(3)上，所述N型欧姆接触电极(6)为环形，且吸收层(4)位于N型欧姆接触电极(6)的环内，吸收层(4)为非故意掺杂的弱N型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤0.3；
P型梯度掺杂层(5)设置在吸收层(4)上，P型梯度掺杂层(5)为P型AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤0.3；
P型欧姆接触电极(7)设置在P型梯度掺杂层(5)上；
所述探测器的工作模式为光线从前端入射。
2.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述衬底(1)由纳米图形化蓝宝石材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为150nm-300nm。
4.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述N型欧姆接触层(3)的厚度为300nm-500nm。
5.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述吸收层(4)的厚度为300nm-500nm，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述P型梯度掺杂层(5)厚度为70nm。
7.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述P型梯度掺杂层(5)为P型渐变掺杂，掺杂浓度沿外延方向高斯分布；中心峰值浓度在P型上表面，向P型与I型界面处按高斯分布逐渐减小，其峰值自由空穴浓度大于1×1018cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为150nm；
所述N型欧姆接触层(3)的厚度为300nm，为高电子浓度的N型GaN材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述吸收层(4)的厚度为300nm，为非故意掺杂的弱N型GaN材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3。
9.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为200nm；
所述N型欧姆接触层(3)的厚度为400nm，为高电子浓度的N型Al0.17Ga0.83N材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述吸收层(4)的厚度为400nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.17Ga0.83N材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3；
所述P型梯度掺杂层(5)厚度为70nm，为P型Al0.17Ga0.83N材料。
10.根据权利要求1所述的一种新型同质结PIN紫外探测器，其特征在于：所述缓冲层(2)的厚度为300nm；
所述N型欧姆接触层(3)的厚度为500nm，为高电子浓度的N型Al0.3Ga0.7N材料，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述吸收层(4)的厚度为500nm，为非故意掺杂的弱N型Al0.3Ga0.7N材料，其自由电子浓度为1×1016cm-3；
所述P型梯度掺杂层(5)厚度为70nm，为P型Al0.3Ga0.7N材料。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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