CN108470793A - 紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紫外‑红外双波段集成p‑i‑n型光电探测器，包括由下至上层叠设置的衬底、缓冲层、n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格；n型超短周期超晶格在非掺杂i型超短周期超晶格的侧面具有一外露区域；外露区域的上表面设置n型欧姆接触电极，p型超短周期超晶格的上表面设置p型欧姆接触电极；非掺杂i型超短周期超晶格既能满足载流子在价带与导带量子能级间的光吸收跃迁，也能通过先紫外光照射再协同红外光入射的方式使得价带内载流子吸收光子并进行带内量子能级间的跃迁，实现针对紫外和红外双波段的光信号探测识别；红外波段的光信号通过改变p型超短周期超晶格的掺杂浓度实现响应探测。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器。
背景技术
近年来，第三代宽禁带半导体材料质量改良、器件关键工艺日趋成熟，紫外乃至深紫外光电探测器已逐渐在现代化军事舞台和民用生活方面崭露头角。其中，工作波长在深紫外区域的光电探测器，利用了日盲区太阳光辐射能量极其有限甚至微弱的特点，在天然低噪声背景下便可对目标紫外光辐射信号进行分辨与识别。其在导弹羽烟成分检测、航空航天跟踪与控制、生物医药工程分析，以及紫外高保密通信等领域有着广阔的应用前景；也可与红外探测元件协同构成双波段探测系统，利用红外线远距离追踪再切换至紫外近距离进一步识辨的特性，显著地提高目标探测的准确性及可靠性。
随着紫外和红外单波段探测材料质量不断提高与器件性能的持续提升，人们期待紫外-红外双波段甚至多波段的光电探测器，以获取更丰富的目标信息。紫外-红外双波段探测已成为未来探测技术发展的重要方向，也是目前国际上的研究热点。
然而，当前绝大多数紫外-红外双波段探测器主要由两个分别响应不同波段的探测组件构成，如申请号为200910084157.6的中国专利公开了一种通过金属键合将紫外和红外探测器单元倒装互连以实现双波长探测的方法，既增加了异质材料生长的难度，也使得光路系统及器件制备工艺较为复杂。因此，开发一个可同时响应紫外和红外两个波段的探测器件单元，将极大地简化结构设计，并推进紫外-红外双波段探测器单片集成的研究。
发明内容
本发明旨在克服当前紫外-红外双波段探测技术和原理的不足，提供一种紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，以实现利用同一材料结构进行紫外和红外双波段目标探测的同时，极大地简化传统双波段探测的系统结构及制备工艺。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，包括由下至上层叠设置的衬底、缓冲层、n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格；
所述n型超短周期超晶格在非掺杂i型超短周期超晶格的侧面具有一外露区域；所述外露区域的上表面设置n型欧姆接触电极，所述p型超短周期超晶格的上表面设置p型欧姆接触电极；
所述非掺杂i型超短周期超晶格既能满足载流子在价带与导带量子能级间的光吸收跃迁，也能通过先紫外光照射再协同红外光入射的方式使得价带内载流子吸收光子并进行带内量子能级间的跃迁，实现针对紫外和红外双波段的光信号探测识别；红外波段的光信号通过改变p型超短周期超晶格的掺杂浓度实现响应探测。
在一较佳实施例中：所述衬底为同质衬底或异质衬底。
在一较佳实施例中：所述同质衬底为氮化镓或氮化铝单晶；所述异质衬底为蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
在一较佳实施例中：所述n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格均由第一介质膜层与第二介质膜层周期性交替生长构成，且第一介质膜层的禁带完全落在第二介质膜层的禁带中。
在一较佳实施例中：所述第一介质膜层为氮化镓单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为1-10个原子层；所述第二介质膜层为氮化铝单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为4-10个原子层。
在一较佳实施例中：所述周期为20-200个。
在一较佳实施例中：所述n型超短周期超晶格采用硅杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-1019cm-3；
所述p型超短周期超晶格采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
在一较佳实施例中：所述p型超短周期超晶格的阱宽窄于非掺杂i型超短周期超晶格的阱宽，使从正面入射的深紫外光穿透至非掺杂i层被载流子所吸收。
在一较佳实施例中：改变所述第一介质膜层的原子层数以调控量子能级差来改变紫外光的探测波长，所探测波长范围为230-270nm。
在一较佳实施例中：所述n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格的侧面朝向衬底一侧进行研磨，使之呈45°角，以实现针对波长为2-5μm红外光的响应探测。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的紫外-外双波段集成p-i-n型光电探测器，采用非掺杂i型超短周期超晶格作为紫外光的吸收层，其电子结构分立的量子能级特征使得吸收光子的能量因两量子能级间特定的差值而固定，通过改变第一介质膜层的原子层数可以调控量子能级间能差，从而实现针对230-270nm波段范围内深紫外光子的吸收。
2、本发明提供的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，非掺杂i型超短周期超晶格可同时作为红外光的吸收层。在上述紫外光照射的前提下，载流子吸收外界光子并从价带量子能级跃迁至导带相应量子能级，从而为价带提供一定数量的空穴。此时当红外光进一步入射时，载流子将由能量较低的价带量子能级跃迁至能量相对较高的价带量子能级，且所需跃迁能量较低；通过调控量子能级间的能量恰好对应于被探测的红外辐射光子能量，便可实现红外波段的光响应探测。
3、本发明提供的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其红外波段的吸收也可通过p型掺杂超短周期超晶格实现。对超短周期超晶格进行一定浓度的镁杂质掺杂，相当于引入了空穴，从而为价带带内量子能级间载流子的光吸收跃迁提供可能，有利于获得红外波段光子的选择性吸收。所述p型超短周期超晶格的阱宽相比于非掺杂i型超短周期超晶格的阱宽更窄，以获得更高量子能级间能差的载流子跃迁，并使得从正面入射的深紫外光穿透至非掺杂i层被载流子所吸收。
4、本发明提供的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，采用集成化的超短周期超晶格结构，即n型和p型掺杂都在同类超晶格材料基础上实现。生长过程较容易控制，材料的结晶质量较高，而且制备工艺极大地简化，器件关键性能得到提升。
附图说明
图1为本发明优选实施例1的结构示意图。
图2为本发明优选实施例1中非掺杂i型超短周期超晶格，即本征吸收层的能带结构图。
图3为本发明优选实施例1中吸收深紫外光后i型超短周期超晶格的价带能带结构图。
图4为本发明实施例2中的结构示意图。
图5为本发明实施例2中p型超短周期超晶格价带能带结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其结构由下至上依次包括：衬底1、在衬底上外延的AlN缓冲层2、n型超短周期超晶格3、非掺杂i型超短周期超晶格4、p型超短周期超晶格5。
所述n型超短周期超晶格3在非掺杂i型超短周期超晶格4的侧面具有一外露区域；所述外露区域的上表面设置n型欧姆接触电极6，所述p型超短周期超晶格5的上表面设置p型欧姆接触电极7。
所述衬底1为同质衬底或异质衬底。如果为同质衬底，则同质衬底为氮化镓或氮化铝单晶；如果为异质衬底，则异质衬底为蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
所述n型超短周期超晶格3、非掺杂i型超短周期超晶格4、p型超短周期超晶格5均由第一介质膜层与第二介质膜层周期性交替生长构成，且第一介质膜层的禁带完全落在第二介质膜层的禁带中。所述第一介质膜层为氮化镓单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为1-10个原子层；所述第二介质膜层为氮化铝单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为4-10个原子层。所述周期为20-200个。
所述n型超短周期超晶格3采用硅杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-1019cm-3；所述p型超短周期超晶格5采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
所述p型超短周期超晶格的阱宽窄于非掺杂i型超短周期超晶格的阱宽，使从正面入射的深紫外光穿透至非掺杂i层被载流子所吸收。改变所述第一介质膜层的原子层数以调控量子能级差来改变紫外光的探测波长，所探测波长范围为230-270nm。
实施例1
上述紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器的制作方法如下：
i)采用金属有机物气相外延技术，在蓝宝石衬底c面上生长厚约100nm～1μm的AlN缓冲层2；
ii)在上述AlN缓冲层2上依次生长n型超短周期超晶格3、非掺杂i型超短周期超晶格4、p型超短周期超晶格5。实际生长过程中，以三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，同时采用二戊镁(Cp2Mg)和硅烷(SiH4)分别作为p型和n型杂质源，氢气(H2)作为载气。
所述非掺杂i型超短周期超晶格4采用GaN/AlN超短周期超晶结构，运用生长中断技术调控GaN阱宽和AlN垒厚分别为2和4个原子层厚度；
所述p型超短周期超晶格5的阱宽要窄于非掺杂i型超短周期超晶格4的阱宽，在保持AlN垒厚不变的前提下，减少三甲基镓源的生长时间使其厚度为单个分子层；
所述n型超短周期超晶格3的掺杂浓度为1.5×1019cm-3，所述p型短周期超晶格5的掺杂浓度为2.0×1018cm-3；
iii)在上述完整的外延基底上，利用标准光刻、ICP刻蚀及电子束沉积等微加工工艺蚀刻出n型台面并在其上沉积钛/铝/钛/金合金，经快速热退火形成n型超短周期超晶格3的n型欧姆接触电极6；
iv)再利用光刻、电子束沉积及热退火的方法，在p型超短周期超晶格5上沉积镍/金合金并形成p型欧姆接触电极7；至此，完成实施例1中紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器件的制备。
器件工作时，先从正面引入垂直入射的紫外光，再协同一定倾斜角度的红外光入射，以实现同一材料结构对紫外和红外双波段光信号的同时探测。
当深紫外光从图1所示结构正面入射时，入射光子穿透p型超短周期超晶格5到达所述非掺杂i型超短周期超晶格4并被载流子吸收；载流子吸收光子将从价带量子能级跃迁至相应导带量子能级，进行带间跃迁，从而实现针对深紫外光信号的吸收探测。同时使得价带内产生一定数量的空穴。如图2所示，价带与导带间的量子能级能差约为4.52eV，表明该结构能够实现对于波长为273nm附近的的深紫外光吸收。
进一步地，红外光以一定角度入射至所述非掺杂i型超短周期超晶格4时，如图3的计算所示，价带内空穴第一量子能级与第二量子能级间能差约为0.31eV，空穴在价带内的光吸收跃迁使得该结构可同时实现针对波长为4μm的中红外光响应探测。
实施例2
本实施例中，紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器的分层结构与实施例1相同，具体的制作步骤如下：
i)采用金属有机物气相外延技术，在蓝宝石衬底c面上依次生长AlN缓冲层2、n型超短周期超晶格3、非掺杂i型超短周期超晶格4、p型超短周期超晶格5。所述外延步骤与实施1中的步骤相同。
ii)将上述完整的p-i-n外延结构的侧面朝向衬底1一侧进行研磨并使之呈45°角，以利于满足子带跃迁的偏振选择条件。
iii)类似地，利用标准光刻、ICP刻蚀及电子束沉积等微加工工艺蚀刻出n型台面并在其上沉积钛/铝/钛/金合金，经快速热退火形成与n型超短周期超晶格的n型欧姆接触电极6；再沉积镍/金合金并使之形成p型欧姆接触电极7。
器件工作时，红外光垂直于该斜面入射，并经过外延层入射至p型超短周期超晶格；紫外光保持从正面垂直入射，主要被非掺杂i型超短周期超晶格4的载流子所吸收。采用紫外光和红外光同时照射的方式，便可同时实现对于紫外和红外波段的光响应探测。
如图5所示，计算表明价带内量子能级间能差约为0.49eV，且无明显色散，即可实现对波长为2.5μm附近的红外光响应。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的构思和技术方案之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：包括由下至上层叠设置的衬底、缓冲层、n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格；
所述n型超短周期超晶格在非掺杂i型超短周期超晶格的侧面具有一外露区域；所述外露区域的上表面设置n型欧姆接触电极，所述p型超短周期超晶格的上表面设置p型欧姆接触电极；
所述非掺杂i型超短周期超晶格既能满足载流子在价带与导带量子能级间的光吸收跃迁，也能通过先紫外光照射再协同红外光入射的方式使得价带内载流子吸收光子并进行带内量子能级间的跃迁，实现针对紫外和红外双波段的光信号探测识别；红外波段的光信号通过改变p型超短周期超晶格的掺杂浓度实现响应探测。
2.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述衬底为同质衬底或异质衬底。
3.根据权利要求2所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述同质衬底为氮化镓或氮化铝单晶；所述异质衬底为蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅。
4.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格均由第一介质膜层与第二介质膜层周期性交替生长构成，且第一介质膜层的禁带完全落在第二介质膜层的禁带中。
5.根据权利要求4所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述第一介质膜层为氮化镓单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为1-10个原子层；所述第二介质膜层为氮化铝单晶或铝镓氮混晶，单个周期其生长厚度为4-10个原子层。
6.根据权利要求5所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述周期为20-200个。
7.根据权利要求4所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述n型超短周期超晶格采用硅杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-1019cm-3；
所述p型超短周期超晶格采用镁杂质掺杂，所掺杂浓度为1017-3.5×1018cm-3。
8.根据权利要求4所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述p型超短周期超晶格的阱宽窄于非掺杂i型超短周期超晶格的阱宽，使从正面入射的深紫外光穿透至非掺杂i层被载流子所吸收。
9.根据权利要求4所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：改变所述第一介质膜层的原子层数以调控量子能级差来改变紫外光的探测波长，所探测波长范围为230-270nm。
10.根据权利要求1所述的紫外-红外双波段集成p-i-n型光电探测器，其特征在于：所述n型超短周期超晶格、非掺杂i型超短周期超晶格、p型超短周期超晶格的侧面朝向衬底一侧进行研磨，使之呈45°角，以实现针对波长为2-5μm红外光的响应探测。
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