CN111739960B - 一种增益型异质结紫外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增益型异质结紫外光电探测器，包括衬底及生长于衬底之上的外延层；所述外延层自下而上依次包括成核层、非故意掺杂AlkGa1‑kN缓冲层、AlxGa1‑xN组分过渡层、非故意掺杂AlyGa1‑yN层、非故意掺杂AlzGa1‑zN层、非故意掺杂AlyGa1‑yN层、受主掺杂AlmGa1‑mN层以及分布于非故意掺杂AlzGa1‑zN层上的叉指型接触电极，其中Al组分x的起始值≤k，终止值为y；y<z。通过受主掺杂AlmGa1‑mN层来耗尽非故意掺杂AlyGa1‑yN层与其上方非故意掺杂AlzGa1‑zN层异质结界面处的二维电子气，具有光暗拒绝比高、光电增益高、响应速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及Ⅲ族氮化物半导体紫外光探测器技术领域，尤其涉及一种增益型异质结紫外光电探测器。
背景技术
紫外探测在军事和民用领域均具有广泛的应用，如化学和生物分析(臭氧、污染物和大多数有机化合物紫外吸收谱线的探测)、火焰检测(包括火警、导弹预警或燃烧监测)、保密光学通信(波长小于280nm的卫星间光通信)、发射器校准(仪表、紫外线光刻技术)和天文研究等。目前，商用的紫外探测器主要是基于真空电子技术的光电倍增管(PMT)和基于成熟半导体材料Si 的固态光电探测器。光电倍增管探测器需要工作在较高电压(一般在1000V 左右)下，且体积也较大；而Si基紫外光电探测器尽管具有体积小、工作电压低的优点，但由于禁带宽度小，光响应波长覆盖了近红外至紫外区域，无法避免对紫外光之外的长波长背景光噪声的干扰。同样，光电倍增管也存在着相同的问题，都需要使用波长滤波片来实现对可见光、近紫外光具有波长拒绝比的响应(即，通常所谓的可见光盲、日盲紫外光响应)。
基于Ⅲ族氮化物半导体的宽禁带三元化合物AlGaN基紫外光电探测器，因AlGaN材料的直接带隙、禁带宽度随Al组分增大可由3.43eV增至6.2 eV的材料特性，具有量子效率高、可实现本征可见光盲、日盲紫外探测的性能优势。与现行的紫外光电倍增管和Si基固体紫外光电探测器相比，AlGaN 基光电探测器具有无需附加紫外滤光片、光电转换效率高、体积小、耐辐射等优点而成为当前最具应用前景的紫外探测器件。在紫外信号的探测过程中，由于紫外信号在大气传输中衰减严重，通常情况下被探测的紫外信号都非常微弱，因此面向实际应用的紫外光电探测器需要具有低暗电流和高光电增益特性。目前，雪崩光电探测器是优选的增益型光电探测器件之一。但是，雪崩光电探测器一般需要在雪崩击穿条件下才会有高光电增益，对器件的外延材料质量要求极高。此外，其获得光电增益的过程会因光生载流子碰撞电离的随机性而伴随产生雪崩过剩噪声，雪崩击穿电压对工作温度也比较敏感。这些都阻碍了AlGaN基雪崩光电探测器实用化应用的实现。与雪崩光电探测器不同，光电导探测器可以在相对低的工作电压下实现高的光电增益，但是光电导探测器在无光照下的阻抗来自半导体本身，而不是整流效应，因此有着暗电流高的缺点，同时在微弱信号下的光电增益低，阻碍了光电导探测器的应用。基于AlGaN异质结场效应结构的光电导探测器即是面临着这些问题。
Ⅲ族氮化物半导体AlGaN由于自发极化和压电极化效应的存在，使得其纤锌矿结构的非故意掺杂异质结界面易于形成二维电子气(2DEG)，由于 2DEG具有饱和电子迁移率高的特点，因此可以用来研制高频、高增益器件。利用这一结构特点，可以制作基于非故意掺杂AlGaN异质结的高速、高增益光电导紫外探测器。但是，如果在无光照下就有二维电子气的存在，光电探测器会具有较高的暗电流，不利于探测微弱紫外光信号。此外，即使这种基于光电导工作机理的光电探测器可以具有高光电增益，但其光电增益随入射光信号强度减弱而下降严重，也需要补强。由于暗电流和光电增益是紫外探测应用的关键技术指标，上述问题的存在严重阻碍了AlGaN异质结光电导探测器的实用化。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种增益型异质结紫外光电探测器，基于AlGaN材料，可实现高光电增益、低暗电流、高响应速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种增益型异质结紫外光电探测器，包括由下至上在衬底(101)上依次外延生长成核层(102)、非故意掺杂AlkGa1-kN 缓冲层(103)、AlxGa1-xN组分过渡层(104)、非故意掺杂AlyGa1-yN层(105)、非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)、非故意掺杂AlyGa1-yN层(107)、受主掺杂AlmGa1-mN层(108)以及位于非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)上的叉指型接触电极(109)，其中Al组分k的取值范围为0-1；Al组分x的起始值≤k，终止值为y；Al组分y≤k，z>y,m≥y。所述非故意掺杂AlyGa1-yN层(105)与非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)异质结界面由于极化效应形成二维电子气累积。所述探测器的工作原理为：紫外信号从p型AlmGa1-mN层一侧入射，在无信号入射情况下，受主掺杂p型AlmGa1-mN层与二维电子气层沟道层 AlyGa1-yN形成的pn结对异质结界面二维电子气进行耗尽，使得正负叉指电极之间二维电子气的输运通道被隔断；此外，正负电极间的载流子(主要是电子)还需要克服异质结势垒。因此，器件具有低暗电流特性。在有紫外信号入射的情况下，初级光吸收层中的光生载流子降低了pn结的势垒，使得二维电子气的传输通道得以恢复，随着叉指电极之间电压升高，产生高光电导增益，同时由于二维电子气迁移率高，可快速被正电极收集，使得器件具有很高的响应速度；另一方面，入射光信号中的一部分被初级吸收层吸收，剩余部分进入到次级吸收层，所产生的光生电子贡献给二维电子气，光生空穴输运至负电极一侧，受异质结价带带阶阻挡，在界面处积累，使得该处因沟道层/次级光吸收层导带弯曲所形成的势垒降低，促进负电极电子注入，产生光诱导增益。即，本发明的增益型异质结光电探测器具有光控载流子输运通道、双光电增益、二维输运载流子的工作机制，因此可实现低暗电流、高光电增益和高响应速度特性。
进一步的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝或硅衬底；所述成核层为低温或者高温生长的AljGa1-jN，Al组分j的取值范围为0-1，厚度为10-100nm，用于促进外延层由三维生长向二维生长的转换，降低因衬底与AlGaN外延层间的晶格和热膨胀系数失配，降低所导致的外延层中的位错密度。
进一步的，所述非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层，可进一步降低外延层缺陷密度，Al组分k的取值范围为0-1，其厚度为0.1-2.0μm。
进一步的，所述AlxGa1-xN组分过渡层的Al组分为线性变化或分n段台阶变化，其中，n值≤3,Al组分x的起始值≤k，终止值为y，厚度为 0-300nm。
进一步的，所述非故意掺杂AlyGa1-yN层为二维电子气的沟道层、次级光吸收层，其Al组分y≤k，厚度为0.2-3.0μm。
进一步的，所述非故意掺杂AlzGa1-zN层为二维电子气的势垒层以及叉指型接触电极的引出层，其Al组分z>y，厚度为5-35nm。
进一步的，所述非故意掺杂AlyGa1-yN层为初级光吸收层，厚度为10-100 nm。
进一步的，所述受主掺杂AlmGa1-mN层，其Al组分m≥y，厚度为 20-300nm，层中空穴浓度为1×1017-5×1018cm-3。
进一步的，所述叉指型接触电极为欧姆接触电极或低势垒肖特基接触电极，肖特基势垒高度≤0.7eV；叉指型接触电极中，一边叉指电极为正电极，另一边为负电极，位于非故意掺杂AlzGa1-zN势垒层上，两叉指电极之间为初级光吸收层与受主掺杂层。
本发明的有益效果是：
本发明采用受主掺杂层对异质结界面的二维电子气进行耗尽，实现了低暗电流特性的同时保证了二维电子气传输通道的完整性，使得探测器具有更快的响应速度；另一方面，设计的初级、次级光吸收层，使得次级吸收的光生电子-空穴分别贡献于二维电子气增加和电子输运势垒降低，在光电导增益之外进一步叠加光诱导增益，即器件增益机制同时结合了光电导增益和光诱导增益机制，使得器件能对微弱光信号进行充分的放大。此外，本发明的器件制备工艺简单，而且能在低偏压下工作，具有优异的低功耗特性。因此本发明的器件总体具有低暗电流、高光电增益、高速响应和低功耗的优点。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1：本发明一种增益型AlGaN紫外光电探测器的结构截面图；
图2：本发明一种增益型AlGaN紫外光电探测器的结构俯视图；
图3：本发明实施例1提供的一种器件结构截面图；
图4：本发明实施例2提供的一种器件结构截面图；
附图标号说明：101衬底；102成核层；103非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层；104AlxGa1-xN组分过渡层；105非故意掺杂AlyGa1-yN层；106非故意掺杂AlzGa1-zN层；107非故意掺杂AlyGa1-yN层；108受主掺杂AlmGa1-mN层； 109叉指型接触电极；201c面蓝宝石衬底；202低温AlN成核层；203非故意掺杂AlN过渡层；204Al与Ga合金组分渐变AlxGa1-xN层(x＝0.7～0.4)；205非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层；206非故意掺杂Al0.6Ga0.4N层；207 非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层；208受主Mg掺杂Al0.43Ga0.57N层；209叉指型欧姆接触电极；301c面蓝宝石衬底；302低温GaN成核层；303高温非故意掺杂GaN过渡层；305非故意掺杂GaN层；306非故意掺杂Al0.26Ga0.74N 层；307非故意掺杂GaN层；308受主掺杂GaN层；309叉指型欧姆接触电极。
具体实施方式
本发明提供一种增益型异质结紫外光电探测器，包括衬底101及生长于衬底101之上的成核层102、非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层103、AlxGa1-xN组分过渡层104、非故意掺杂AlyGa1-yN层105、非故意掺杂AlzGa1-zN层106、非故意掺杂AlyGa1-yN层107、受主掺杂AlmGa1-mN层108以及分布于非故意掺杂AlzGa1-zN层106上的叉指型接触电极109，其中Al组分x的起始值≤k，终止值为y；y<z。
其中，衬底101为蓝宝石、碳化硅、氮化铝、氮化镓或硅衬底。
成核层102为低温或者高温生长的AljGa1-jN，其中，Al组分j的取值范围为0-1，成核层102的厚度为10-100nm。非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层103，Al组分k的取值范围为0-1，厚度为0.1-2.0μm。
AlxGa1-xN组分过渡层104的Al组分为线性变化或分n段台阶变化，其中，n值≤3,Al组分x的起始值≤k，终止值为y，厚度为0-300nm。
非故意掺杂AlyGa1-yN层105为二维电子气的沟道层、次级光吸收层，其Al组分y≤k，厚度为0.2-3μm。
非故意掺杂AlzGa1-zN层106为二维电子气的势垒层以及叉指型接触电极的引出层，其Al组分z>y，厚度为5-35nm。
非故意掺杂AlyGa1-yN层107为初级光吸收层，其厚度为10-100nm。
受主掺杂AlmGa1-mN层108，其Al组分m≥y，厚度为20-300nm，层中空穴浓度为1×1017-5×1018cm-3。
叉指型接触电极109为欧姆接触电极或低势垒肖特基接触电极，肖特基势垒高度≤0.7eV；叉指型接触电极中，一边叉指电极为正电极，另一边为负电极，位于非故意掺杂AlzGa1-zN层106上，与非故意掺杂AlzGa1-zN层106 形成欧姆或低势垒肖特基接触，两叉指电极之间为非故意掺杂AlyGa1-yN层 107与受主掺杂AlmGa1-mN层108。
以下给出具体实施例说明本发明的原理：
实施例1
本实施例采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE) 的外延生长方法生长一种增益型AlGaN异质结紫外光电探测说明书器，依次包括c面蓝宝石衬底(201)、20nm厚度的低温AlN成核层(202)、500nm厚度的高温非故意掺杂AlN过渡层(203)、100nm厚度的Al与Ga合金组分渐变AlxGa1-xN(x＝0.7～0.4)层(204)、200nm厚度的非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层 (205)，20nm厚度的非故意掺杂Al0.6Ga0.4N层(206)、30nm厚度的非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层(207)、60nm厚度的受主Mg掺杂Al0.43Ga0.57N层(208)，层中空穴浓度为3×1018cm-3，以及通过刻蚀、蒸镀等工艺制作的位于非故意掺杂Al0.6Ga0.4N层(206)上的由Ti/Al/Ni/Au金属层合金形成的叉指型欧姆接触电极(209)。
其中，非故意掺杂Al0.4Ga0.6N层(205)和非故意掺杂Al0.6Ga0.4N层(206) 形成的异质结界面会产生二维电子气层，p型Mg掺杂Al0.43Ga0.57N层对二维电子气有耗尽作用，截断了二维电子气沟道，保证了器件具有极低的暗电流。在有光照时，初级光吸收层中的光生载流子降低了pn结的势垒，使得二维电子气的传输通道得以恢复，两正负电极之间的电子很快进入到二维电子气沟道然后被正电极收集，因此器件具有很高的响应速度以及高光电导增益；同时，次级光吸收层也会吸收部分入射光，光生电子贡献给二维电子气，光生空穴在负电极附近的异质结界面积累，降低了异质结导带弯曲所形成的电子势垒，从而产生光诱导增益。因此，此器件具有低暗电流、高光增益和高响应速度特性。
实施例2
本实施例采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE) 的外延生长方法生长一种增益型AlGaN异质结紫外光电探测器，依次包括c 面蓝宝石衬底(301)、25nm厚度的低温GaN成核层(302)、说明书3μm厚度的高温非故意掺杂GaN过渡层(303)、0nm厚度组分过渡GaN层(即该层在本实施例中可以不设置)、1μm厚度的非故意掺杂GaN层(305)，25nm 厚度的非故意掺杂Al0.26Ga0.74N层(306)、30nm厚度的非故意掺杂GaN层 (307)、60nm厚度的受主Mg掺杂GaN层(308)，层中空穴浓度为2× 1018cm-3，以及通过刻蚀、蒸镀等工艺制作的位于非故意掺杂Al0.26Ga0.74N层 (306)上的由Ti/Al/Ni/Au金属层合金形成的叉指型欧姆接触电极(309)。
其中，非故意掺杂Al0.26Ga74N层(306)和非故意掺杂GaN层(305)形成的异质结界面会产生二维电子气层，p型Mg掺杂GaN层对二维电子气有耗尽作用，截断了二维电子气沟道，保证了器件具有极低的暗电流。在有光照时，初级光吸收层中的光生载流子降低了pn结的势垒，使得二维电子气的传输通道得以恢复，两正负电极之间的电子很快进入到二维电子气沟道然后被正电极收集，因此器件具有很高的响应速度以及高光电导增益；同时，次级光吸收层也会吸收部分入射光，光生电子贡献给二维电子气，光生空穴在负电极附近的异质结界面积累，降低了异质结导带弯曲所形成的电子势垒，从而产生光诱导增益。因此，此器件具有低暗电流、高光增益和高响应速度特性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种增益型异质结紫外光电探测器，其特征在于：包括衬底(101)及生长于所述衬底(101)之上的成核层(102)、非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层(103)、AlxGa1-xN组分过渡层(104)、非故意掺杂AlyGa1-yN层(105)、非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)、非故意掺杂AlyGa1-yN层(107)、受主掺杂AlmGa1-mN层(108)以及分布于非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)上的叉指型接触电极(109)，其中Al组分x的起始值≤k，终止值为y，y<z；所述非故意掺杂AlyGa1-yN层(105)为二维电子气的沟道层、次级光吸收层，其Al组分y≤k，厚度为0.2-3μm；所述非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)为二维电子气的势垒层以及叉指型接触电极的引出层，其Al组分z>y，厚度为5-35nm；所述非故意掺杂AlyGa1-yN层(107)为初级光吸收层，厚度为10-100nm；所述受主掺杂AlmGa1-mN层(108)，其Al组分m≥y，厚度为20-300nm，层中空穴浓度为1×1017-5×1018cm-3；
所述衬底(101)为蓝宝石、碳化硅、氮化铝、氮化镓或硅衬底；
所述成核层(102)为低温或者高温生长的AljGa1-jN，其中，Al组分j的取值范围为0-1，成核层(102)的厚度为10-100nm；
所述非故意掺杂AlkGa1-kN缓冲层(103)，Al组分k的取值范围为0-1，厚度为0.1-2.0μm。
2.如权利要求1所述的一种增益型异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述AlxGa1-xN组分过渡层(104)的Al组分为线性变化或分n段台阶变化，其中，n值≤3,Al组分x的起始值≤k，终止值为y，厚度为0-300nm。
3.如权利要求1所述的一种增益型异质结紫外光电探测器，其特征在于：所述叉指型接触电极(109)为欧姆接触电极或低势垒肖特基接触电极；叉指型接触电极中，一边叉指电极为正电极，另一边为负电极，位于非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)上，与非故意掺杂AlzGa1-zN层(106)形成欧姆或低势垒肖特基接触，肖特基势垒高度≤0.7eV，两叉指电极之间为非故意掺杂AlyGa1-yN层(107)与受主掺杂AlmGa1-mN层(108)。
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