CN109980039A - 一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器及其制备方法，其中高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为AlN模板层、AlN缓冲层、n型AlGaN层、i型GaN吸收层、n型GaN分离层、GaN/AlN能带调制周期结构层和p型GaN层；所述n型AlGaN层上引出有n型欧姆电极；所述p型GaN层上引出有p型欧姆电极；所述GaN/AlN能带调制周期结构层由交替设置的多层GaN层和AlN层组成。本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器对于更广泛的应用范围具有很强的适应性，特别是对于挥发温度下的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器，尤其涉及一种高温度稳定性的吸收倍增区分离型GaN紫外雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
高增益光电倍增管(PMT)是检测在大气中迅速衰减的弱紫外信号的最常用方法，但是真空管使其体积大、易碎且难于集成。为克服这些弱点，半导体雪崩光电二极管(APD)正在迅速发展，有望在不久的将来替代PMT更精确地检测弱信号。尽管在材料生长和器件制造方面取得了许多突破，但依然存在许多困扰研究人员的技术瓶颈。在常规的雪崩器件中，由于强烈的载流子散射，为了获得高增益来检测单光子，强烈需要高电场以使电子和空穴保持相似的电离系数并使雪崩过程沿着两个相反的方向进行，直到淬灭发生这才可以停止。
实现高灵敏度和低噪声探测器的研制，并且在实际应用中能够在恶劣环境中稳定工作一直是各国研究的技术攻破关键。倍增吸收分离型(SAM)雪崩光电二极管的使用能够有效的将光吸收层和雪崩倍增层分离，倍增区的离化撞击完全由离化系数比电子高的空穴来完成，从而增强雪崩倍增的同时也降低了噪音。2012年，汪莱等公开了一种吸收倍增区分离型的GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器结构及其制备方法[参见专利，GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及制备方法，申请号：201110391564.9]，由于倍增区和吸收区分离，载流子雪崩倍增距离得到提高，从而灵敏度也明显增加。但是在常规的雪崩器件中，由于强烈的载流子散射，声子散射对温度高度敏感。并且在超高灵敏度APD中，电离过程是倍增的基础，碰撞电离是一个与温度相关的过程，因此温度将强烈影响给定电场的碰撞电离系数，它的振动会导致倍增性能的严重下降。所以在高灵敏度和低噪声的基础上提高器件的温度稳定性是很有必要的。
已经提出许多尝试来实现高增益单极电离APD。例如，1982年，Capasso和同事提出了一种AlGaAs/GaAs超晶格APD。根据他们的理论，由于导带偏移远大于价带偏移，因此从AlGaAs向GaAs传输的热电子可能比空穴更容易触发电离。在他们的观点中，带偏移被认为是电离阈值的降低，然而，通过模拟实验表明，雪崩的效率不够高。这是因为卫星谷和第一个谷之间的空隙不够，电子在运输过程中会遇到剧烈的谷间散射。
2000年，M.Goano等人发现GaN和AlN的第一个CB中有一个深Γ谷(约2eV)，状态密度(DOS)极低，而VB中没有这样的谷。声子散射率与DOS正相关，所以在GaN或AlN的Γ谷内传输的电子将经历更弱的散射。2016年，郑纪元等人设计了基于GaN的正照射p-i-p-i-n分离吸收和倍增结构，倍增层由AlN/GaN能带调制周期结构(EMPS)组成的雪崩光电二极管。主要与常规同质结APD进行比较，证明了电子更多以高能态分布，导致电子电离系数显著增强。尽管AlN和GaN之间存在0.7eV价带偏移，但价带中不存在深度分离的谷，因此空穴仍然经历高频散射，EMPS APD中电子电离系数和空穴电离系数之间的差异也会显着增大。利用GaN/AlN能带的特殊结构模拟表明了温度对电子传输的影响减弱，导致EMPS APD中电子电离系数和倍增增益的温度相关性较小。SAM结构可以很有效地抑制注入倍增层中的电子与空穴中的一个，实现线性模式下的单级电离。正照射p1-i1-p2-i2-n情况下，入射光主要被顶部i1型GaN吸收，产生电子空穴对。P2型GaN插入层是能抑制空穴注入倍增区的电荷层，同时在i型层弱电场的作用下，电子会向下漂移至i2层参加倍增，空穴则会向上扫走不会进入i2倍增区。但是正照射器件中P型层金属电极和p型GaN会吸收部分的紫外光，将会降低量子效率和紫外光抑制比，增大器件内部噪音，实用性能不如背照射，因为背照射下发生倍增的载流子主要是碰撞离化系数较大的空穴，且电子注入时器件的过剩噪声大于空穴。
针对前照射的缺点，本发明采用基于背照射p-i1-n1-i2-n2的结构。在背入射情况下，光透过蓝宝石衬底和n2层光学窗口层，光在i2层吸收层被完全吸收，产生光生电子和空穴对，在i2层的弱电场的分离作用下，空穴会向上漂移至i1层参加倍增，电子则会向下扫走不会进入i1倍增区，这样就降低了器件的噪音，提高了整体的倍增能力，但是仍然会存在严重的散射问题。针对此现状，本发明在背照射p-i1-n1-i2-n2结构的基础上引入了GaN/AlN能带调制周期结构。在p-i1-n1-i2-n2结构的基础上，i2层弱电场的作用下空穴可以直接到达倍增层参与雪崩，很少部分的漂移到倍增层的电子以及空穴碰撞电离产生的电子会首先在GaN的Γ谷中吸收能量，直到其能量达到2eV，然后，它进入AlN的Γ谷并继续从电场吸收能量。当它离开AlN层并进入下一个GaN层时，它已经聚集了足够的高于电离阈值能量5.3eV的能量来触发电离并产生新的电子-空穴对。电子可以在随后的GaN/AlN周期中重复上述过程。本发明的雪崩光电二极管触发雪崩的主体依旧是空穴，顺带着降低常规二极管中电子的散射影响，增强电子的电离系数和温度稳定性，不同于郑纪元等人提出的前照射pipin结构的GaN/AlN SAM APD的触发雪崩的主体是电子，在此基础上又加强了电子的电离系数，没有改善空穴的影响，空穴依然经历高频散射。并且Webb等人详细研究过混合注入条件下的过剩噪声因子，只有在碰撞离化系数比较大的载流子注入，且两碰撞离化系数差别最大的情况下，才能够获得最小的过剩噪声因子，显然前照射情况下器件内部噪声会很大，影响器件性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高稳定性和灵敏性的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为AlN模板层、AlN缓冲层、n型AlGaN层、i型GaN吸收层、n型GaN分离层、GaN/AlN能带调制周期结构层和p型GaN层；所述n型AlGaN层上引出有n型欧姆电极；所述p型GaN层上引出有p型欧姆电极；所述GaN/AlN能带调制周期结构层由交替设置的多层GaN层和AlN层组成。
所述AlN模板层厚度为500nm；所述AlN缓冲层厚度为100～300nm；所述n型AlGaN层厚度为100～300nm；所述i型GaN吸收层厚度为150～220nm；所述n型GaN分离层厚度为60～80nm；所述倍增层厚度为150～200nm；所述p型GaN层厚度为10～300nm。
所述AlN模板层衬底为蓝宝石衬底。
所述n型欧姆电极为Ti/Al/Ni/Au合金电极；所述p型欧姆电极为Ni/Au合金电极。
所述GaN/AlN能带调制周期结构层的GaN层和AlN层均设置10层。
所述GaN/AlN能带调制周期结构层中每层GaN和AlN的厚度均为10nm。
上述高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤包括：
S1：选择用于生长GaN材料的衬底，并在衬底上生长AlN层，形成AlN模板层；
S2：在AlN模板层的衬底上生长一层n型AlN缓冲层；
S3：在AlN缓冲层上生长一层n型AlGaN层；
S4：在n型GaN层上生长一层i型GaN吸收层；
S5：在i型GaN层上生长一层n型GaN分离层；
S6：在n型GaN分离层上交替生长多层GaN层和AlN层，形成GaN/AlN能带调制周期结构层；
S7：在GaN/AlN能带调制周期结构层上生长一层p型GaN层；
S8：将一部分区域的p型GaN层从上表面刻蚀至n型AlGaN层形成台面，并对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
S9：在n型AlGaN层台面上蒸镀n型欧姆电极，蒸镀后对n型欧姆电极进行退火处理；
S10：在p型GaN层上蒸镀p型欧姆电极，蒸镀后对p型欧姆电极进行退火处理。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
(1)本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器在具有深的低DOS的Γ谷和大导带偏移的GaN/AlN结构中，电子的电离系数显著增强，温度对电子传输的影响减弱，使得本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器中电子电离系数和倍增性能的温度相关性变小，进而使得本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器对于更广泛的应用范围具有很强的适应性，特别是对于挥发温度下的应用。
(2)本发明的具有倍增区和吸收区分离的特点，使载流子雪崩倍增距离提高从而使得灵敏度大大增加。
(3)本发明采用的背入射方式，相比前入射方式能够提高量子效率和紫外光抑制比，减小器件内部噪音，并且是离化系数较高的空穴参与倍增；
(4)本发明在倍增吸收分离型结构的基础上引入了GaN/AlN能带调制周期结构，这种结构利用GaN/AlN能带的特殊结构，使电子一直在低密度状态下传输，降低电子在倍增区传输的散射度，从而提高电离系数，减弱温度对传输的影响，提高增益的温度稳定性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的结构示意图。
图2为本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的GaN/AlN能带调制周期结构层的电子传输示意图。
图3为同质型吸收倍增分离型GaN紫外雪崩光电探测器和本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的电子和空穴的电离系数随温度变化且归一化为300K时下降程度的比较图。
图4为同质型吸收倍增分离型GaN紫外雪崩光电探测器和本发明的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的增益随温度变化下降程度的比较图。
附图中标号为：
AlN模板层1，AlN缓冲层2，n型AlGaN层3，n型欧姆电极31，i型GaN吸收层4，n型GaN分离层5，p型GaN层7，p型欧姆电极71。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本实施例的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其结构从下至上依次为AlN模板层1、AlN缓冲层2、n型AlGaN层3、i型GaN吸收层4、n型GaN分离层5、GaN/AlN能带调制周期结构层6和p型GaN层7。
n型AlGaN层3上引出有n型欧姆电极31。p型GaN层7上引出有p型欧姆电极71。GaN/AlN能带调制周期结构层6由交替设置的多层GaN层和AlN层组成。
AlN模板层1厚度为500nm。AlN缓冲层2厚度为100～300nm。n型AlGaN层3厚度为100～300nm。i型GaN吸收层4厚度为150～220nm。n型GaN分离层5厚度为60～80nm。倍增层6厚度为150～200nm。p型GaN层7厚度为10～300nm。
AlN模板层1衬底为蓝宝石衬底。
n型欧姆电极31为Ti/Al/Ni/Au合金电极。p型欧姆电极71为Ni/Au合金电极。
GaN/AlN能带调制周期结构层6的GaN层和AlN层均设置10层。
GaN/AlN能带调制周期结构层中每层GaN和AlN的厚度均为10nm。
上述高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其步骤包括：
S1：选择用于生长GaN材料的衬底，并在衬底上生长AlN层，形成AlN模板层1。
S2：在AlN模板层1的衬底上生长一层n型AlN缓冲层2。
S3：在AlN缓冲层2上生长一层n型AlGaN层3。
S4：在n型GaN层上生长一层i型GaN吸收层4。
S5：在i型GaN层上生长一层n型GaN分离层5。
S6：在n型GaN分离层5上交替生长10层GaN层和AlN层，形成GaN/AlN能带调制周期结构层6。
S7：在GaN/AlN能带调制周期结构层6上生长一层p型GaN层7。
S8：将一部分区域的p型GaN层7从上表面刻蚀至n型AlGaN层3形成台面，并对刻蚀后的样品表面进行净化处理。
S9：在n型AlGaN层3台面上蒸镀n型欧姆电极31，蒸镀后对n型欧姆电极31进行退火处理。
S10：在p型GaN层7上蒸镀p型欧姆电极71，蒸镀后对p型欧姆电极71进行退火处理。
以同质型吸收倍增区分离型GaN紫外雪崩光电探测器(详见申请号为CN201310367175.1的中国专利文献提供的《高增益的AlGaN紫外雪崩光电探测器及其制备方法》)做为对比：
图3为同质型吸收倍增分离型GaN紫外雪崩光电探测器(图中简称“SAM APD”)和本实施例的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器(图中简称“EMPS APD”)在临界击穿电场2.9MV/cm的条件下，在300K-350K各温度计算得到的并且归一化为300K温度下的电离系数值，利于直观比较电离系数对温度的相关性。从图3中可以看出，随着散射速率随温度的升高而增加，电离系数的值总体上随温度升高而下降。然而，由于EMPS APD中电子传输过程中的总散射率大大降低，EMPS APD中电子的电离系数与HJ APD中电子和空穴和EMPS APD中空穴的电离系数相比，随温度变化的下降慢的多，也就是随温度变化更稳定一些。尽管EMPSAPD中AlN和GaN之间存在0.7eV价带偏移，但价带中不存在深度分离的谷，因此空穴仍然经历高频散射，所以和SAM APD中空穴的电离系数相比变化不大。
图4为为同质型吸收倍增分离型GaN紫外雪崩光电探测器(图中简称“SAM APD”)和本实施例的高温度稳定性紫外雪崩光电探测器(图中简称“EMPS APD”)在电场为2.9MV/cm和3.2MV/cm时满足在300K的相同温度下它们增益都为104的条件下，在300K-350K各温度仿真得到的增益值。从图4中可以看出，EMPS APD和SAM APD的增益随着温度的升高而降低，但后者的温度敏感性明显强于前者。特别是当增益较高且电离发生的概率较高时，EMPS APD从300K到310K的增益变化比SAM APD低约25％。由于电子电离系数的温度稳定性的提高，倍增增益的温度稳定性也升高。因此，EMPS APD对于更广泛的应用范围具有很强的适应性，特别是对于挥发温度下的应用。
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，所应理解的是，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，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：其结构从下至上依次为AlN模板层(1)、AlN缓冲层(2)、n型AlGaN层(3)、i型GaN吸收层(4)、n型GaN分离层(5)、GaN/AlN能带调制周期结构层(6)和p型GaN层(7)；所述n型AlGaN层(3)上引出有n型欧姆电极(31)；所述p型GaN层(7)上引出有p型欧姆电极(71)；所述GaN/AlN能带调制周期结构层(6)由交替设置的多层GaN层和AlN层组成。
2.根据权利要求1所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述AlN模板层(1)厚度为500nm；所述AlN缓冲层(2)厚度为100～300nm；所述n型AlGaN层(3)厚度为100～300nm；所述i型GaN吸收层(4)厚度为150～220nm；所述n型GaN分离层(5)厚度为60～80nm；所述倍增层(6)厚度为150～200nm；所述p型GaN层(7)厚度为10～300nm。
3.根据权利要求1所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述AlN模板层(1)衬底为蓝宝石衬底。
4.根据权利要求1所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述n型欧姆电极(31)为Ti/Al/Ni/Au合金电极；所述p型欧姆电极(71)为Ni/Au合金电极。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：所述GaN/AlN能带调制周期结构层(6)的GaN层和AlN层均设置10层。
6.根据权利要求5所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器，其特征在于：GaN/AlN能带调制周期结构层中每层GaN和AlN的厚度均为10nm。
7.一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择用于生长GaN材料的衬底，并在衬底上生长AlN层，形成AlN模板层(1)；
S2：在AlN模板层(1)的衬底上生长一层n型AlN缓冲层(2)；
S3：在AlN缓冲层(2)上生长一层n型AlGaN层(3)；
S4：在n型GaN层上生长一层i型GaN吸收层(4)；
S5：在i型GaN层上生长一层n型GaN分离层(5)；
S6：在n型GaN分离层(5)上交替生长多层GaN层和AlN层，形成GaN/AlN能带调制周期结构层(6)；
S7：在GaN/AlN能带调制周期结构层(6)上生长一层p型GaN层(7)；
S8：将一部分区域的p型GaN层(7)从上表面刻蚀至n型AlGaN层(3)形成台面，并对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
S9：在n型AlGaN层(3)台面上蒸镀n型欧姆电极(31)，蒸镀后对n型欧姆电极(31)进行退火处理；
S10：在p型GaN层(7)上蒸镀p型欧姆电极(71)，蒸镀后对p型欧姆电极(71)进行退火处理。
8.根据权利要求7所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述AlN模板层(1)厚度为500nm；所述AlN缓冲层(2)厚度为100～300nm；所述n型AlGaN层(3)厚度为100～300nm；所述i型GaN吸收层(4)厚度为150～220nm；所述n型GaN分离层(5)厚度为60～80nm；所述倍增层(6)厚度为150～200nm；所述p型GaN层(7)厚度为10～300nm。
9.根据权利要求7所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：所述GaN/AlN能带调制周期结构层(6)的GaN层和AlN层均设置10层。
10.根据权利要求7或9所述的一种高温度稳定性紫外雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于：GaN/AlN能带调制周期结构层中每层GaN和AlN的厚度均为10nm。
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