CN115036378B - AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法。该探测器自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度。该探测器结构在光照条件下的J‑V特性曲线具有明显台阶或拐点，使单pn结构实现多色选择性探测或同步探测成为可能。通过对该探测器测得的J‑V特性曲线进行数学处理，从中提取入射光的各波段信息，能够有效实现紫外‑红外范围内的多色选择性探测或同步探测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法。
背景技术
近年来，随着半导体关键工艺的日趋完善，紫外、可见以及红外光电探测器已逐渐在航空航天跟踪与控制、生物医药工程分析、可见光通信、遥感资源调查、医疗测温、隐蔽火源探测、消防和石化报警以及森林火灾预报中的都得到了广泛的应用。但传统的光电探测器仅能够对单色进行追踪，当系统需要多波段复合探测时，则需要针对不同的入射光波段范围采用不同波段的光电探测器，这就增加了光电探测仪器系统的复杂性。
因此，有研究学者设计出了多波段探测相关的器件结构，专利授权公告号为CN110459627B，名称为一种紫外-可见双波段光电探测器，该发明通过两个pn结单元，可实现紫外以及可见光的探测。通过调节紫外吸收单元的Al组分，可改变紫外探测波长；通过调节可见光吸收单元的In组分，可实现蓝光，绿光，红光等可见光波段的探测。该方法可实现多色选择性探测或同步探测，采用多个pn结单元，则存在外延结构和芯片制备工艺复杂、制造成本较高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供AlInGaN基单pn结多色探测器，该探测器结构在光照条件下的J-V特性曲线具有明显台阶或拐点，使单pn结构实现多色选择性探测或同步探测成为可能。
本发明的另一目的在于提供基于上述AlInGaN基单pn结多色探测器进行信号检测的方法，通过对该探测器测得的J-V特性曲线进行数学处理，从中提取入射光的各波段信息，能够有效实现紫外-红外范围内的多色选择性探测或同步探测。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种AlInGaN基单pn结多色探测器，自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；
其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；
所述吸收层的材料为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；
所述隔离层的材料为Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；
各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度。
本探测器的工作原理是：对于光电器件而言，当一束光入射到器件表面时，其吸收层内产生的光生载流子动力学过程主要包括：光生、逃逸、俘获和再复合。只有当电场足够大，吸收层内的光生载流子才能克服量子势垒，逃逸出吸收层并被电极收集，进而产生相应的光电信号；所以，只有在耗尽区中的吸收层，其内产生的光生载流子才会有较大的概率被电极收集。然而，生长在c平面上的III族氮化物异质结，具有显著极化效应。在一定条件下，由此产生的强极化电场，容易导致器件的吸收层不完全处于耗尽层中。此外，n型层或p型层掺杂不足、量子垒掺杂浓度过高等也会导致吸收层的不完全耗尽。
因此，通过合理参数设计，可以实现所述探测器吸收层的不完全耗尽，在该条件下，对所述探测器施加连续扫描的反向偏压，使pn结耗尽区逐渐变宽，吸收层依次进入耗尽区中，电极将依次收集进入耗尽区中的吸收层内产生的光生载流子，进而产生光电流。但由于隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度，所以隔离层中产生的光生载流子对光电流的贡献较小，在隔离层进入耗尽区的过程中，反向偏压逐渐增大，而光电流变化甚微，因此，在待探测的光照下，所述探测器呈现出具有明显的台阶或拐点的J-V特性，曲线中台阶或拐点可以通过隔离层的掺杂、厚度以及组分进行控制。结合所述探测器的每个吸收层对所响应波段的吸收效率和每个吸收层进入耗尽层内对应临界偏压下的光电流，对该J-V曲线进行数学处理，可以从中提取入射光的各波段信息，能够有效实现紫外-红外范围内的多色选择性探测或同步探测。
在AlInGaN基单pn结多色探测器中，设置多个带隙宽度不同吸收层的作用是为了实现对不同波段的光进行吸收；吸收层的材料包括但不限于InGaN，通过控制其中各元素含量即可调节吸收层材料带隙宽度。
根据进一步优选的技术方案，该多色探测器的吸收层数量没有上限限制，该多色探测器中吸收层的数量为n个，n≥2；吸收层的结构具有多样性，根据实际需求，一层吸收层可以为n个周期的多量子阱结构、超晶格结构，或直接一层体材料皆可；根据实际探测需求进行选择，吸收层的厚度不必相等。
多色探测器中，隔离层的数量至少为1个；优选地，所述隔离层的数量与所述吸收层数量相同。根据具体实施例，所述隔离层和所述吸收层在层叠结构中的排布方式为：在所述层叠结构中，由下至上依次层叠设置第一吸收层、第一隔离层......第n吸收层和第n隔离层。
根据进一步优选的技术方案，所述隔离层厚度为：0＜d≤700nm，掺Si浓度为1×1016～1×1019/cm3；优选地，隔离层厚度为0＜d≤200nm。根据实际的需要，合理设计掺杂和厚度，调控J-V曲线的台阶和拐点的位置和宽度；根据实施例的优选技术方案，所述隔离层的厚度为10nm～20nm。
根据进一步优选的技术方案，所述n型层掺Si浓度为1×1017～1×1020/cm3，所述p型层掺Mg浓度为5×1017～1×1020/cm3。其目的在于：调控pn结之间的内建电场强度和耗尽层宽度。
根据进一步优选的技术方案，所述探测器在光照条件下的J-V特性曲线具有明显台阶或拐点。
根据进一步优选的技术方案，层叠结构中，多个所述吸收层的禁带宽度沿着探测光入射方向逐渐变大或变小。多段禁带宽度不同的吸收层，沿着探测光的入射方向，吸收层的带隙单调变化，其目的在于：方便剥离入射光各波段信息，但吸收层的带隙不限于单调变化。
根据进一步优选的技术方案，每个所述吸收层中V坑的总面积不高于器件面积的5％。
但值得注意的是，AlInGaN基光电器件在制备的过程中，容易产生V坑，而由V坑侧壁形成的三维pn结在平台中的强横向电场，导致光生载流子发生横向分离，无法实现利用偏压驱动逐个吸收层工作的模式，使J-V特性曲线中的台阶或拐点不明显，从而难以剥离入射光各波段的信息。因此，在器件制备的过程中，为提高所述探测器的性能，应尽量减小V坑尺寸，降低V坑密度，甚至消除V坑。优选地，所述多段禁带宽度不同的吸收层，每段吸收层中V坑面积占比不高于5％。其目的在于：避免因V坑侧壁形成的三维p-n结在平台中的强横向电场，导致光生载流子发生横向分离，无法实现利用偏压驱动逐个吸收层工作的模式，使J-V特性曲线中的台阶或拐点不明显，从而难以剥离入射光各波段的信息。因此，在器件制备的过程中，为提高所述探测器的性能，应尽量减小V坑尺寸，降低V坑密度，甚至消除V坑，但目前的工艺水平还难以实现完全消除V坑，综合考虑V坑尺寸和密度，限制每段吸收层中V坑的总面积不高于器件面积的5％。
根据进一步优选的技术方案，所述探测器工作在外加偏压下；偏压范围为V0～Vmax，其中V0为所述探测器电流为0时的电压；Vmax为所述探测器电流最大时的电压。
所述探测器结构，沿(0001)方向生长顺序为n型层、层叠结构、p型层；或p型层、层叠结构、n型层。
所述探测器，迎光面为n面或p面。
本发明还提供基于上述AlInGaN基单pn结多色探测器进行信号检测的方法，包括以下步骤：
S1、标定所述探测器的关键参数，该步骤通常为探测器出厂前，应标定的数据；
S2、将一束待探测的光由n面或p面入射到探测器表面；
S3、测试获得所述探测器具有台阶或拐点的J-V特性曲线；
S4、对该J-V曲线进行数学处理，从中提取获得入射光的各波段信息。
具体地，该信号检测方法包括以下步骤：
S1、标定所述探测器的的关键参数，包括：每个吸收层进入耗尽层内的临界偏压、每个吸收层对所响应波段的吸收效率、以及暗场下的开启电压；
其中，标定每个吸收层进入耗尽层内的临界偏压，其目的在于：获得每个吸收层对应光电流信号。由于临界偏压下，光电流的变化甚小，所以，可通过对标定时测得的具有台阶或拐点的J-V曲线求一阶倒数大致确定，求二阶倒数精准确定。同时，可认为该临界偏压下，进入到耗尽区中的吸收层内产生的光生载流子被全部收集，即收集效率为100％。那么，根据公式：外量子效率(λ)＝吸收效率(λ)×收集效率(λ)，可以标定出所述探测器的每个吸收层对所响应波段的吸收效率，这一步的目的在于：方便计算各个吸收层在相同光谱响应范围内所吸收的光子数，进而为后续各波段光电信号剥离做准备。
S2、将一束待探测的光由n面或p面入射到探测器表面；
S3、对所述探测器施加连续扫描的反向偏压，使得pn结耗尽区变宽，各吸收层依次进入耗尽区，获得待探测的光下的台阶状或有拐点的J-V特性曲线；【注：偏压范围V(I＝0)→V(Imax)】
S4、结合所述探测器的每个吸收层对所响应波段的吸收效率和每个吸收层进入耗尽层内对应临界偏压下的光电流，对该J-V曲线进行数学处理，计算出每个吸收层的产生的光电流信号。
数学处理的具体方法为：通过标定的每个临界偏压点对应台阶的光电流值，依次计算出每个吸收层产生的光电流；若多个吸收层对同一波段均有响应时，则需根据标定所得各个吸收层对该波段的吸收效率以及标定光谱每个波长的光谱功率密度，加权计算出各个吸收层对该波段的平均吸收效率，进而计算出各个吸收层吸收该波段产生的光电流，依据此方法，逐个计算出探测器吸收各个波段产生的光电流值，根据标定所得吸收层对每个波段的平均吸收效率，计算出入射光的各波段总的光子数，从而实现入射光信号的检测。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明提供的探测器结构，利用了台阶状或有拐点的J-V曲线形成机理，采用单个pn结单元和多段禁带宽度不同的吸收层实现多色选择性探测或同步探测。本发明采用的单个pn结单元设计方式，有利于材料生长，简化了系统结构，有助于缩小体积、降低成本，便于扩大其应用范围，具有结构简单可靠、制造容易、成本低和易集成等一系列特点。
2、本发明提供的探测器用于信号探测，具有探测光谱范围大，可以实现紫外-红外范围内的多色选择性探测或同步探测，探测器功能更加丰富。
3、若每个吸收层的响应波段相差精确到nm级，有望实现单芯片光谱仪。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图；
图2为实施例1样品与仿真模型输出的J-V特性曲线；
图3为实施例1仿真模型输出的不同偏压下的能带图，阴影部分表示内建电场可覆盖的范围；
图4为实施例1仿真模型输出的不同偏压下的复合速率图，从左往右分别表示第1～5个吸收层；
图5为实施例1样品输出的不同偏压下的EQE曲线图；
图6为本发明实施例2提供的AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图；
图7为实施例2仿真模型输出的J-V特性曲线；
图8为实施例2仿真模型输出的不同偏压下的EQE曲线图；
图9为本发明实施例3提供的AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图；
图10为本发明实施例4提供的AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明：
实施例1
本实施例提供AlInGaN基单pn结多色探测器结构，图1所示为该AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图，其由下至上依次为：衬底100、缓冲层200、n型层300、层叠结构400和p型层500。
其中，n型层300由下至上为：n型GaN层301和准备层302；
层叠结构400包括由下至上依次层叠设置的：第一吸收层401、第一隔离层411、第二吸收层402、第二隔离层412、第三吸收层403、第三隔离层413、第四吸收层404、第四隔离层414、第五吸收层405和第五隔离层415；
p型层500由下至上为：p型电子阻挡层501和p型GaN层502。
其中，衬底100的材料为Si。
缓冲层200的材料为AlN，厚度为150nm。
n型GaN层301材料为GaN，厚度为2.3μm，掺Si浓度为5×1018/cm3；
准备层302材料为GaN单层材料，厚度为0.2μm，掺Si浓度为1×1018/cm3；
第一吸收层401、第二吸收层402、第三吸收层403、第四吸收层404和第五吸收层405的材料为InGaN，其中第一至第四吸收层In组分为0.22～0.26，厚度为2.5nm～3nm，第五吸收层405的In组分为0.16，厚度为3nm；第一隔离层411、第二隔离层412、第三隔离层413、第四隔离层414和第五隔离层415材料均为GaN，厚度为11nm～13nm，掺Si浓度为1×1017～1×1018/cm3。
p型电子阻挡层501的材料为Al0.2Ga0.8N，厚度为10nm，掺Mg浓度为1×1019～5×1019/cm3。
p型GaN层502材料为GaN，厚度为150nm，掺Mg浓度5×1019/cm3。
机理证明与数据分析：在AM1.5下，实验测试了上述器件的J-V特性曲线，同时采用商用的半导体仿真软件成功的搭建了与本实施例1外延结构一致的仿真模型，并与实验获得了较好的拟合结果，证实了该仿真模型的准确性，图2为样品与仿真模型输出的J-V特性曲线。从图中可明显的观察到实验测得的J-V曲线中出现了五个台阶，与吸收层数量一致。
更进一步，通过仿真模型输出了第5、第4和第1个台阶对应偏压+1V、-1V和-10V下的能带图和复合速率图，图3为仿真模型输出的不同偏压下的能带图，图4为仿真模型输出的不同偏压下的复合速率图。图3显示：+1V偏压下，只有第5个吸收层在耗尽层中，随着反向偏压的增大，-1V偏压下，第4和第5个吸收层均可在耗尽层中，-10V偏压下，第1至第5个吸收层都在耗尽层中。与此同时，图4中显示：+1V偏压下，只有第5个吸收层具有较低的复合速率，-1V偏压下，第4和第5个吸收层均具有较低的复合速率，而在-10V偏压下第1至第5个吸收层都具有较低的复合速率。
上述结果表明：在耗尽层中的吸收层，其阱内产生的光生载流子可在电场的作用下，逃逸出吸收层，进而被电极收集，并对光电流产生贡献，故吸收层区内对应着较低的复合速率。相反，不在耗尽层中的吸收层，其阱内产生的光生载流子因电场不足，无法逃逸出吸收层，在阱内重新复合，故吸收层区内对应着较高的复合速率。因此，+1V、-1V、-10V偏压下对应的光电流，其贡献来源于对应偏压下，在耗尽层中的吸收层。
为证实上述分析，我们通过实验测试了+1V、-1V偏压下的EQE曲线，图5为样品输出的不同偏压下的EQE曲线图。由图可知：+1V偏压下，样品的吸收边为460nm，正好对应于In组分为0.16的第5个吸收层，当反向偏压增大至-1V时，样品的量子效率逐渐增大，其对应的吸收边从460nm拓宽至525nm，这表明：在+1V偏压下，只有第5个吸收层中产生的光生载流子可以被电极收集，因此，该偏压下只出现了第5个吸收层的信号。随着反向偏压增大，第4个In组分为0.25的吸收层内产生的光生载流子也可被电极收集，所以对应的吸收边从460nm拓宽至525nm，而量子效率增大，主要归咎于第四和第五个吸收层同时工作所致。两者条件下的相应光谱均起始于365nm，这是由于该器件的迎光面n面，且n-GaN较厚，导致波长小于365nm的光子被GaN全部吸收所致，该实验结果也充分证实了上述分析的结论。
综上述所：+1V对应的光电流，其贡献来源于第五个吸收层，包含了AM1.5光谱中365nm～460nm波段的相关信息。-1V对应的光电流，其贡献来源于第四和第五个吸收层，那么-1V与+1V对应的光电流差值的贡献则仅仅为来源于第四个吸收层，它包含了AM1.5光谱中365nm～525nm波段的相关信息。
根据前述方法标定得到第四和五个吸收层对365nm～460nm波段的平均吸收效率分别为a和b、第四个吸收层对460nm～525nm波段的平均吸收效率c，分别剥离各个波段的信息，方法如下：
1、利用-1V和+1V偏压对应的光电流差值，计算出第四个吸收层产生的光电流，这部分信号包含了AM1.5光谱中365nm～525nm波段的相关信息。
2、由于第四和五个吸收层均对365nm～460nm波段相应，且已知该波段内两者的平均吸收效率，则可得到两者吸收该波段内的光子数总量之比。
3、那么，以+1V对应的光电流为基础，则可计算出-1V偏压下，第四个吸收层吸收365nm～460nm波段的光子产生的光电流。
4、最后，根据-1V与+1V对应的光电流的差值，可分别单独剥离出第四个吸收层吸收460nm～525nm波段的光子产生的光电流以及第四和第五个吸收层吸收365nm～460nm波段的光子产生的光电流。
5、根据+1V条件下，第五个吸收层吸收365nm～460nm波段的光子产生的光电流，计算出对应吸收365nm～460nm波段的光子数；第四个吸收层吸收460nm～525nm波段的光子产生的光电流，计算出对应吸收460nm～525nm波段的光子数，最后根据标定得到第五个吸收层对365nm～460nm波段的平均吸收效率b，第四个吸收层对460nm～525nm波段的平均吸收效率c，分别计算出入射光365nm～460nm波段和460nm～525nm波段的光子流密度，由此可见该方法的可行性。
实施例2
本实施例提供AlInGaN基单pn结多色探测器结构，图6所示为该AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图，其包括：n型层300，层叠结构400，p型层500。
其中所述n型层300由下至上包括n型GaN层301和低温GaN层303：n型GaN层301，掺Si浓度5×1018～1×1019/cm3，厚度为1.6μm；低温GaN层303，掺Si浓度1×1018/cm3，厚度为0.2μm；
所述层叠结构400包含两段吸收层，由下至上包括：第一吸收层401、第一隔离层411、第二吸收层402和第二隔离层412。第一吸收层401，材料为In0.3Ga0.7N，厚度为3nm；第一隔离层411，材料为GaN，掺Si浓度3×1017/cm3，厚度为13nm；第二吸收层402，材料为In0.16Ga0.84N，厚度为3nm；第二隔离层412，材料为GaN，掺Si浓度3×1017/cm3，厚度为13nm；
所述p型层500由下至上包括：p型电子阻挡层501和p型GaN层502；p型电子阻挡层501，材料为Al0.2Ga0.8N，掺Mg浓度1×1019/cm3，厚度为10nm；p型GaN层502，掺Mg浓度5×1019/cm3，厚度为130nm。
数据分析：
为了再次证实本发明的可行性，通过仿真软件设计了实施例2的外延结构。并在380nm～550nm(截取AM1.5光谱)波段内，仿真了该器件的J-V特性，结果如图7所示。
分别剥离各个波段的信息，方法如下：
1、经过对J-V曲线进行一阶求导和二阶求导，令一阶导数和二阶导数＝0，得到了两个吸收层进入耗尽层的临界偏压分别为-6.5V和0V。
2、图8分别显示了-6.5V和0V偏压下器件的EQE曲线，由前述分析可知，临界偏压下进入到耗尽区内的吸收层的光生载流子收集效率为100％，所以临界偏压下的EQE即为进入到耗尽区内的吸收层对所响应波段的吸收效率，因此，可计算出第一和第二个吸收层对380nm～550nm的吸收效率[双点划线：第一个吸收层(吸收边560nm)虚线：第二个吸收层(吸收边460nm)吸收系数采用文献报道公式：其中，E为入射光的光子能量；Eg为材料的禁带宽度。
3、通过已知光谱加权计算，可以大致估算出第一和第二个吸收层对380nm～460nm波段的平均吸收效率分别为9.8％和5.1％，第一个吸收层对460～550nm波段的平均吸收效率为5.9％。
4、已知J(-6.5V)＝0.8mA/cm2、J(0V)＝0.16mA/cm2，那么第一个吸收层贡献的光电流总量为两者之差，即0.64mA/cm2，它包含了第一个吸收层吸收380nm～550nm波段的总信号。
5、根据两者的平均吸收效率之比，则可计算出第一个吸收层吸收380nm～460nm波段的信号强度为0.307mA/cm2，吸收460nm～550nm波段的信号强度为0.333mA/cm2。
6、因此，-6.5V偏压下，探测器吸收460nm～550nm波段的信号强度为0.333mA/cm2，0V偏压下，探测器吸收380nm～460nm波段的信号强度为0.16mA/cm2。根据第二个吸收层对380nm～460nm波段的平均吸收效率5.1％，计算出入射光中380nm～460nm波段的光子流密度为1.96×1016/cm2，该波段实际入射光为1.94×1016/cm2。第一个吸收层对460nm～550nm波段的平均吸收效率为5.9％，计算出入射光中460nm～550nm波段的光子流密度为3.525×1016/cm2，该波段实际入射光为3.5×1016/cm2。
7、实际探测中的误差分析与解决办法：
(1)由于吸收层响应波段较宽，每个波长的吸收系数相差较大，所以在计算该波段的平均吸收系数时不够准确，从而导致各个吸收层光电流计算出现误差，最终影响结果。
(2)由于未知光谱与标定过程中的已知光谱光成分不同，所以通过加权计算得到的某个波段的平均吸收效率也会有所偏差，影响最终结果。
解决办法：
在探测器吸收层设计的过程中，应尽量减小每个吸收层的光谱相应范围，或通过厚的吸收层滤光等方式尽可能降低误差。
实施例3
本实施例提供AlInGaN基单pn结多色探测器结构，图9所示为该AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图，其由下至上为：其由下至上为：衬底100、缓冲层200、n型层300、层叠结构400和p型层500。
层叠结构400包括由下至上依次层叠设置的：第一吸收层401、第一隔离层411、第二吸收层402、第二隔离层412、第三吸收层403、第三隔离层413、第四吸收层404、第四隔离层414、第五吸收层405、第五隔离层415、第六吸收层406和第六隔离层416；
第一吸收层401，材料为In0.05Ga0.95，厚度为300nm，第一隔离层411，材料为GaN，掺Si浓度3×1017/cm3。第二吸收层402、第三吸收层403、第四吸收层404、第五吸收层405、第六吸收层406的In组分分别为0.4、0.35、0.30、0.25、0.16，第二吸收层402和第三吸收层403厚度为2.5nm，第四吸收层404厚度为3nm，第五吸收层405厚度为4nm，第六吸收层406厚度为5nm。第二隔离层412和第三隔离层413厚度均为10nm，第四隔离层414厚度为12nm，第五隔离层415厚度为13nm，第六隔离层416厚度为10nm，材料均为GaN，1×1017～1×1018/cm3。
n型层300的材料为GaN，厚度为2.3μm，掺Si浓度为5×1018/cm3；p型层500的结构同实施例1。与实施例1相比，该探测器的层叠结构400中增加了一段吸收层，其目的在于减小探测器光谱展宽，提高探测精度。
实施例4
本实施例提供AlInGaN基单pn结多色探测器结构，图10所示为该AlInGaN基单pn结多色探测器的剖面示意图，其包括：n型层300，层叠结构400，p型层500。
其中所述n型层300的材料为GaN，掺Si浓度5×1018～1×1019/cm3，厚度为1.6μm；
所述层叠结构400由下至上包括：第一吸收层401、第一隔离层411、第二吸收层402、第二隔离层412、第三吸收层403、第三隔离层413、第四吸收层404和第四隔离层414；
第一吸收层401采用超晶格结构，超晶格结构为30周期的InGaN超晶格量子阱4011和GaN超晶格量子垒4012；其中，InGaN超晶格量子阱4011的材料为In0.05Ga0.95N，厚度为1nm；GaN超晶格量子垒4012的材料为GaN，厚度为3nm；第一隔离层411材料为GaN，厚度为10nm，掺Si浓度1×1018/cm3；第二吸收层402为厚度100nm的In0.1Ga0.9N，第二隔离层412为厚度13nm的GaN；第三吸收层403，材料为In0.3Ga0.7N，厚度为3nm；第三隔离层413，材料为GaN，掺Si浓度3×1017/cm3，厚度为13nm；第四吸收层404，材料为In0.16Ga0.84N，厚度为3nm；第四隔离层414，材料为GaN，掺Si浓度3×1017/cm3，厚度为13nm；
所述p型层500由下至上包括：p型电子阻挡层501和p型GaN层502；p型电子阻挡层501，材料为Al0.2Ga0.8N，掺Mg浓度1×1019/cm3，厚度为10nm；p型GaN层502，掺Mg浓度5×1019/cm3，厚度为130nm。
相比实施例2，该探测器的结构中增加了两段吸收层，第一吸收层401采用了超晶格结构，第二吸收层402采用了单层体，其目的在于缓解材料生长的应力，提高材料晶体质量，同时起到相应滤光作用。
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；
其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；
所述吸收层的材料为Alx1Iny1Ga(1-x1-y1)N，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；
所述隔离层的材料为Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；
各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度；
所述隔离层为n型半导体。
2.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述探测器在光照条件下的J-V特性曲线具有明显台阶或拐点。
3.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，吸收层采用单/多层结构、多量子阱结构或超晶格结构。
4.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述隔离层厚度为：0＜d≤700nm，掺Si浓度为1×1016～1×1019/cm3。
5.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述n型层掺Si浓度为1×1017～1×1020/cm3，所述p型层掺Mg浓度为5×1017～1×1020/cm3。
6.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，层叠结构中，多个所述吸收层的禁带宽度沿着探测光入射方向逐渐变大或变小。
7.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述吸收层中V坑的总面积不高于器件面积的5％。
8.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述探测器工作在外加偏压下，偏压范围为V0～Vmax，其中V0为所述探测器电流为0时的电压；Vmax为所述探测器电流最大时的电压。
9.一种基于权利要求1～8任一项所述AlInGaN基单pn结多色探测器进行信号检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、标定所述探测器的关键参数；
S2、将一束待探测的光由n面或p面入射到探测器表面；
S3、测试获得所述探测器具有台阶或拐点的J-V特性曲线；
S4、对该J-V特性曲线进行数学处理，从中提取获得入射光的各波段信息。
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- 2022-04-28 CN CN202210470285.XA patent/CN115036378B/zh active Active
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