CN115207151A - 氮化物异质结光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电探测器，该探测器具有一种金属‑异质结‑金属的结构；所述异质结构会产生自发的极化电场，使得受到光照而生成的载流子在空间上分离，并按照金属电极的电压偏置选择性地传送到金属电极；该探测器可以实现其光生载流子的数量随着温度升高而增加，并且在光照结束后，光生载流子的衰减速率随着温度升高而加快的功能；该探测器亦可以实现与电子器件等共用一个异质结载体，进而实现光探测和信号放大在同一芯片上集成实现的功能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域。具体而言，涉及一种基于氮化物半导体，且具有金属-异质结-金属MHM(metal-heterostructure-metal)的光电探测器。
背景技术
氮化镓(GaN，gallium nitride)是直接带隙半导体，也是高效的发光材料。然而对于光电探测，GaN中的光生电子-空穴对很容易在受到光子激发时复合，导致光响应性降低。此外在光照终止后，GaN基光电探测器中光电流的衰减时间非常长，这种持久光电导性(PPC，persistent photoconductivity)是GaN基光电探测器高频操作的瓶颈。PPC效应是由于GaN的外延层内存在施主复合物(DX，donor-complex)中心。因此，上述原因导致现有技术的半导体光电探测器在紫外线频段具有不合意的低光响应性和低频特性，这种情况在高温下尤其严重。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，因而提供光电探测器。
第一方面，本发明实施例提供了光电探测器，包括：
第一金属电极和第二金属电极；
异质结构，所述异质结构位于所述第一金属电极和所述第二金属电极之间，并且在第一方向上通过肖特基接触来连接到所述第一金属电极和所述第二金属电极；所述异质结构包括第一半导体层、第二半导体层、以及介于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的异质界面，其中所述第一半导体层和所述第二半导体层具有不同的半导体材料；所述异质结构还响应于受到光照而生成光生载流子，并将所述光生载流子在不同于所述第一方向的第二方向上分离，并按照电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极。
在一些实施方式中，所述异质结构包括一个所述第一半导体层、一个所述第二半导体层、以及一个所述异质界面。
在一些实施方式中，所述光生载流子包括光生电子和光生空穴；并且
所述异质结构在响应于受到所述光照而生成所述光生载流子的同时，还在所述异质结构内自发形成极化场，并在所述异质界面形成二维电子气体通道。，其中所述极化电场的方向与所述第二方向平行。
在一些实施方式中，所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：所述异质界面在所述极化场的作用下，将所述光生电子与所述光生空穴在所述第二方向上分离开来，并通过所述二维电子气体通道将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的一个，并通过所述第一半导体层或所述第二半导体层将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的另一个。
在一些实施方式中，所述异质结构包括沿所述第二方向重复交叠设置的多个所述第一半导体层和多个所述第二半导体层、以及多个所述异质界面。
在一些实施方式中，所述光生载流子包括光生电子和光生空穴；并且
所述异质结构在响应于受到所述光照而生成所述光生载流子的同时，还在多个所述异质结构内施加极化场，并在多个所述异质界面形成多个二维电子气体通道。
在一些实施方式中，所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：多个所述异质界面在所述极化场的作用下，将所述光生电子与所述光生空穴在所述第二方向上分离开来，并通过多个所述二维电子气体通道分别将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的一个，并通过所述多个第一半导体层或所述多个第二半导体层分别将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的另一个。
在一些实施方式中，所述第一金属电极和所述第二金属电极被正电压和负电压分别偏置；并且
所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：所述异质结构在所述第一方向上通过所述肖特基接触来将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中被正电压偏置的一个或不同于被负电压偏置的一个，并且将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中被负电压偏置的一个或不同于被正电压偏置的一个。
在一些实施方式中，所述第一金属电极和所述第二金属电极具有彼此相配合的形状，并且基于所述形状而彼此相配合的设置；并且
所述异质结构响应于受到所述光照而在所述异质结构内施加所述极化场包括：所述异质结构在所述异质结构内施加在具有强度处处处相同的所述极化场。
在一些实施方式中，所述第一金属电极和所述第二金属电极彼此交叉设置，包含但均为不局限于指状，并且彼此交叉设置；并且
所述异质结构在所述第一金属电极和所述第二金属电极之间的每个位置上具有相同的宽度。
在一些实施方式中，所述第一金属电极和所述第二金属电极包含但不局限于镍和/或金电极；
所述异质结构均为Ⅲ族氮化物，包含但为不局限于氮化镓，氮化铝镓，氮化铟铝等，分层组合形成的复合结构。
在一些实施方式中，所述光照包含但不局限于紫外线；
所述光电探测单元的器的工作温度包含但不局限于20度到250度。
在一些实施方式中，其所述光生载流子的数量随着温度升高而增加。
在一些实施方式中，其在所述光照情况结束后，所述光生载流子的衰减速率随着温度升高而加快。
在一些实施方式中，该所述探测器单元亦可以与III族氮化物电子器件，例如高电子迁移率场效应晶体管、肖特基二极管等，共用同一个异质结载体，并采用完全兼容的制备工艺，进而以实现全III族氮化物集成的光探测和信号放大在同一芯片上的集成的功能，其中所述III族氮化物电子器件包括高电子迁移率场效应晶体管和/或肖特基二极管。
附图说明
通过以下描述将更好地理解本发明，以下描述涉及一个优选实施例，该优选实施例通过非限制性示例给出并参考所附示意图进行解释，其中：
图1示出了根据本发明的光电探测器的结构原理图；
图2示出了根据本发明实施例的光电探测器的(a)结构俯视图、(b)横截面的立体图、(c)横截面的细节图、(d)响应曲线图、(e)对应于(c)Y方向的能带图、和(f)对应于(c)X方向的能带图；
图3示出了根据本发明实施例的(a)MHM在不同温度下光电流响应曲线图、(b)传统无异质结的金属-半导体-金属MSM光电探测器在不同温度下光电流响应曲线图、和(c)MHM光电探测器和MSM光电探测器的光响应随温度变化的对比图；
图4示出了根据本发明实施例的光电探测器的(a)单异质结构、(b)双异质结构、和(c)三异质结构的横截面原理图；
图5示出了根据本发明实施例的光电探测器在光照结束后的(a)持续光电流产生机理图和(b)持续漏电流在不同温度下的衰减曲线图；
图6示出了根据本发明实施例的光电探测器的(a)高速测试系统电路原理图、(b)100ms开关周期的光电流响应曲线图、(c)10ms开关周期的光电流响应曲线图、和(d)1ms开关周期的光电流响应曲线图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
如本文中所用，术语“半导体”是指在常温和/或高温下其导电性能介于导体与绝缘体之间的材料或其组合。术语“异质结构”是指两种材料的直接接触，此处的两种材料为具有不同化学本质的半导体。术语“肖特基接触”如无特殊说明，一般指半导体和金属的直接接触。术语“MHM”，全称金属-异质结构-金属，是指将异质结构夹在两个金属之间的相对设置方式。相对应的，术语“MSM”，全称金属-半导体-金属，则是将半导体夹在两个金属之间的相对设置方式。
另外还需要说明的是，本文中使用的方向术语，如“水平”“垂直”“横向”“纵向”等，均是在其最广泛的意义上使用的。第一，所有的方向都是相对的而不是绝对的，水平和横向不旨在描述地球上任何特定位置的水平面方向，垂直和纵向也不旨在描述地球上任何特定位置的重力方向；在某一视角中的水平和横向在另一视角中可能变成垂直和纵向，反之亦然。第二，方向描述并不限定任何角度或角度范围，除非另有具体的严格说明，否则本文中的水平和垂直方向、横向和纵向不旨在限定彼此垂直，任何两个彼此不平行/不共线的方向在本文中均可以被描述为水平和垂直/横向和纵向。
本发明公开了一种基于III族氮化物半导体异质结构的金属-异质结-金属结构的紫外光探测器。该探测器采用肖特基金属从侧面横向接触异质结的器件结构，实现了当温度从25摄氏度升高至250摄氏度时，光电探测灵敏度提升3.5倍的性能。这是由于探测器在高温下更充分的光吸收，以及异质结自发极化导致的光生载流子在空间上的分离这两个原因共同导致。同时，光电流在光照结束后的衰减时间也缩短了3个数量级。基于这些在高温下提升的光电探测灵敏度和响应速度，该探测器在250摄氏度达到了千赫兹的光电探测性能。该探测器亦可以与传统III族氮化物电子器件，例如高电子迁移率场效应晶体管、肖特基二极管以及电子气电阻等，共用一个异质结载体，进而实现全氮化物集成的紫外光探测和放大的在同一芯片上集成实现来进行高温高速探测的功能。
首先参见图1，其中示出了被施加了相反的电位偏置的第一金属电极和第二金属电极1、2，在第一金属电极和第二金属电极1、2之间设置有异质结构3，异质结构3与第一金属电极和第二金属电极1、2之间形成横向肖特基接触。异质结构3由两个不同的半导体层组成(即前述的第一半导体层3A和第二半导体层3B)，半导体层之间形成有异质界面7。异质结构3响应于受到光照9(此处并不特指通常意义上的可见光)，而在异质结构3中的异质界面7上生成光生载流子。光生载流子包括成对的光生电子5和光生空穴6，前者带负电荷而后者带正电荷。一方面，异质界面7上的本征极化场使得光生电子5进入二维电子气体(2DEG，2-dimensional-electron-gas)通道，而光生空穴6进入第二半导体层；另一方面，在第一金属电极和第二金属电极1、2的电压作用下，光生电子5和光生空穴6朝向相反的方向运动并最终分别被第一金属电极和第二金属电极1、2所捕获。
异质结构3的最下层的半导体层可以延伸以形成半导体基质4。半导体基质4接触第一金属电极和第二金属电极1、2以及异质结构3，以为前述组件提供物理支撑并且吸收部分光生空穴6。
本发明提出的光电探测器，具体来说是如图1和图2所示的、具有横向肖特基接触的基于AlGaN(Aluminum Gallium Nitride，氮化铝镓)/GaN的异质结构的紫外线(Ultraviolet，UV)光电探测器(photodetector)。这种MHM光电探测器包含基于AlGaN/GaN的异质结构和金属电极对，异质结构在AlGaN/GaN异质界面处产生本征极化场，金属电极对以肖特基型横向接触AlGaN/GaN异质结构。
图2示出了根据本发明的MHM光电探测器的俯视图(a)、立体结构图(b)、横截面(c)、光电响应曲线(d)和能带图(e、f)。金属电极对(例如，金(Au)和/或镍(Ni))被成形为如图2a所示的相互配合的形状，例如，第一金属电极和第二金属电极形成为相互交错的指状，因此在金属电极对之间形成的异质结构能够获得更大的有源区域(Active area)和强度更均匀(优选地，强度处处相同)的电场，这意味着更好的光响应性。在MHM光电探测器中，由于极化场的存在，光生电子和空穴的复合受到抑制：在垂直的Y方向(在图2的(c)中示出，下同)，由于极化场的存在，由光照产生的光生电子向2DEG通道漂移，而光生空穴向相反方向漂移进入异质结构3的最下层的半导体层或半导体基质4(在图2的实施例中，半导体基质4的化学本质也是GaN)，因而光生电子和空穴在空间上被分离，本征复合受到抑制；而在水平的X方向，当电极被电压偏置时，光生电子沿着2DEG通道漂移并被正电压偏置的电极收集，光生空穴在2DEG通道下方沿X方向漂移并被负电压偏压的电极收集。MHM光电探测器在5V偏置下的光电流响应谱(Wavelength-Responsivity)如图2的(d)所示。在室温下，紫外线与可见光的抑制比约为103。
图3示出了在365nm(本发明实施例使用的紫外线波长)波长的光照下，在不同温度下测量的MHM光电探测器的偏置电压-光电流(Bias voltage-Photocurrent)的IV特性。图3的(a)显示，具有横向肖特基接触的MHM光电探测器的光电流在升高的温度下增加，其中a.u.是归一化强度。这种温度增强的光响应性是由于：1)在AlGaN/GaN异质界面处存在的本征极化场将电子和空穴分开并抑制它们的复合；以及2)GaN的带隙在升高的温度下变窄，以提高GaN的光吸收系数或是吸收了更多入射光子。
为了进行比较，制造了金属-GaN-金属(MSM)光电探测器并测量了I-V特性。其结果如图3的(b)显示的，从25℃到150℃，由于更有效的光吸收，MSM光电探测器的光响应性增强，这与MHM光电探测器中的相似；然而随着温度进一步升高，直接带隙半导体GaN中光生载流子的本征复合显著增强，导致光响应性反而降低。因此如果没有MHM光电探测器中的异质结构和本征极化场，这种随着温度升高而增强的电子-空穴复合起着主导作用，并且将如图3的(c)所示的导致光电流从150℃到250℃持续降低。
尽管在图2中使用了单个AlGaN/GaN异质结构来说明MHM光电探测器的实现，但应该理解，也可以采用多异质结构。所谓多异质结构，即多个AlGaN/GaN介质层的交替堆叠，这可以形成相应的多个异质界面和2DEG通道。图4的(a)、(b)、(c)依次示出了越来越厚的多异质结构。如图4所示，电极对在横向上以肖特基特性接触多异质结构，并且光生载流子在分离的多个通道内漂移，具体来说，光生电子在多个2DEG通道中漂移，而光生空穴在多异质结构的GaN层中漂移。本征极化场被建立在每个异质界面上，因此，光生电子和空穴在垂直方向上分开但被限制在每个通道内，避免载流子被在GaN基体中的深能级中心捕获甚至散射。此外，对于多异质结构，光吸收会更充分，即通道内(而不是GaN基体)产生更多的光生载流子。
参见图2的(e)和(f)，由于AlGaN存在肖特基势垒，光生电子不会被表面态捕获；而由于已经预先存在高密度2DEG，光生电子也不会被界面态或深能级中心捕获。然而，光生空穴可能被GaN基体中的深能级中心、或横向金属/GaN肖特基界面的界面态捕获。捕获空穴导致深能级中心的电离过程，并进一步引发在X方向上的产生额外的内置电势(Holetrapping induced potential)，如图5a所示。GaN中的深能级中心和界面态可能表现为DX中心。由于存在势垒，被捕获的空穴不能立即从DX中心逃脱。因此当照明终止时，该额外的内置电势致使肖特基接触的耗尽区变窄(Depletion width narrowing)，也将导致更大的持续光电流(Enhanced leakage current)和更长的光衰减时间。
图5b显示了在不同温度下关闭365nm照明后，在5V偏置下MHM光电探测器电流衰减的曲线。光电流的大小被归一化。从结果可以看出，光电流的衰减曲线具有PPC行为，并且在高温下衰减速率显著加速。PPC曲线可以用以下指数方程描述为：
其中Idark是初始暗电流，Imax是撤去光激发时的光电流值，τ是衰减时间常数，β是衰减指数。在室温下，光电流的衰减动力学可以很好地由方程(1)拟合；然而当温度升高时，拟合结果并不准确。测量系统的外部负载电阻和电容(RC)会影响衰减曲线的拟合。为了定量分析最小时间响应并估计MHM光电探测器的实际响应速度，特别是在高温下，本发明添加另一个系统RC影响项，由下式给出：
其中τ1和τ2分别是MHM光电探测器和系统级RC影响中PPC的衰减时间常数。I2是由于外部RC元件的存在而引起的额外电流幅度变化。如图5b所示，可以使用方程(2)很好地拟合不同温度下的衰减曲线，并提取τ1和τ2在不同温度下的拟合结果。随着温度从25℃增加到250℃，τ1下降了大约3个数量级，表明PPC的衰变过程随着温度的升高而显著加速；同时τ2微弱地依赖于温度，验证了τ2源自系统级RC影响。
图6显示了光电探测器高温/高频开关操作的测量设置。对于完整的系统级评估，参见图6的(a)所示的电路，由函数发生器(Function Generator)控制生成输入信号(VIN)并驱动发光二极管(LED)。本发明使用峰值波长为365nm的UV LED作为高速输入光源。MHM光电探测器通过电阻负载(RLoad)连接到直流电源(VDD)。使用示波器(Oscilloscope)来监测LED开关和输出电压(VOUT)的波形。通过采用高速探头和导线最小化减少外部电阻、电容的干扰来优化测试系统，并获得最大的VOUT开关频率。RLoad的值根据不同温度下的光电流来调整，以在优化条件下生成适用的VOUT。结果显示，MHM在升高的温度下获得了提升的开关速度。综合图6的(b)、(c)、(d)来看，在不同开关频率下，MHM光电探测器在250℃下运行良好，VOUT在1kHz时(图6的(d))仍能保持70％的峰峰值开关幅度，证明了MHM光电探测器在高温下的高速紫外光探测能力。还需要说明的是，根据提取的PPC衰减时间常数，可以通过进一步优化测试平台的寄生参数，或采用全氮化物光电集成的方法，进一步提升高温下的开关频率。
可以理解的是，尽管以上描述例示了本发明的几个实施例，但是以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以所示出的装置、系统和/或方法的细节形式及其使用做出各种省略、替换、变型和改进，这些省略、替换、变型和改进也视为归入本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种光电探测器，包括：
第一金属电极和第二金属电极；
异质结构，所述异质结构位于所述第一金属电极和所述第二金属电极之间，并且在第一方向上通过肖特基接触来连接到所述第一金属电极和所述第二金属电极；所述异质结构包括第一半导体层、第二半导体层、以及介于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的异质界面，其中所述第一半导体层和所述第二半导体层具有不同的半导体材料；所述异质结构还响应于受到光照而生成光生载流子，将所述光生载流子在不同于所述第一方向的第二方向上分离，并按照电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述异质结构包括一个所述第一半导体层、一个所述第二半导体层、以及一个所述异质界面。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其中：
所述光生载流子包括光生电子和光生空穴；并且
所述异质结构在响应于受到所述光照而生成所述光生载流子的同时，还在所述异质结构内自发形成极化场，并在所述异质界面形成二维电子气体通道，其中所述极化场的方向与所述第二方向平行。
4.根据权利要求3所述的光电探测器，其中：
所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：所述异质界面在所述极化场的作用下，将所述光生电子与所述光生空穴在所述第二方向上分离开来，并通过所述二维电子气体通道将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的一个，并通过所述第一半导体层或所述第二半导体层将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的另一个。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述异质结构包括沿所述第二方向重复交叠设置的多个所述第一半导体层和多个所述第二半导体层、以及多个所述异质界面。
6.根据权利要求5所述的光电探测器，其中：
所述光生载流子包括光生电子和光生空穴；并且
所述异质结构在响应于受到所述光照而生成所述光生载流子的同时，还在所述异质结构内施加极化场，并在多个所述异质界面形成多个二维电子气体通道。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其中：
所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：多个所述异质界面在所述极化场的作用下，将所述光生电子与所述光生空穴在所述第二方向上分离开来，通过多个所述二维电子气体通道分别将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的一个，并通过所述多个第一半导体层或所述多个第二半导体层分别将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中的另一个。
8.根据权利要求4或7所述的光电探测器，其中：
所述第一金属电极和所述第二金属电极被正电压和负电压分别偏置；并且
所述异质结构将所述光生载流子在所述第二方向上分离，并按照所述电压偏置将所述光生载流子选择性地沿所述第一方向传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极包括：所述异质结构在所述第一方向上通过所述肖特基接触来将所述光生电子传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中被正电压偏置的一个或不同于被负电压偏置的一个，并且将所述光生空穴传送到所述第一金属电极或所述第二金属电极中被负电压偏置的一个或不同于被正电压偏置的一个。
9.根据权利要求4或7所述的光电探测器，其中：
所述第一金属电极和所述第二金属电极具有彼此相配合的形状，并且基于所述形状而彼此相配合的设置；并且
所述异质结构响应于受到所述光照而在所述异质结构内施加所述极化场包括：所述异质结构在所述异质结构内施加在具有强度处处相同的所述极化场。
10.根据权利要求9所述的光电探测器，其中：
所述第一金属电极和所述第二金属电极彼此交叉设置；并且
所述异质结构在所述第一金属电极和所述第二金属电极之间的每个位置上具有相同的宽度。
11.根据权利要求10所述的光电探测器，其中：
所述第一金属电极和所述第二金属电极均为指状。
12.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述第一金属电极和所述第二金属电极包括镍和/或金电极；
所述异质结构均为Ⅲ族氮化物，包括氮化镓、氮化铝镓、氮化铟铝分层组合形成的复合结构。
13.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述光照包括紫外线；
所述光电探测器的工作温度范围包括20度到250度。
14.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述光生载流子的数量随着温度升高而增加。
15.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
在所述光照结束后，所述光生载流子的衰减速率随着温度升高而加快。
16.根据权利要求1所述的光电探测器，其中：
所述探测器与III族氮化物电子器件共用同一个异质结载体，并采用完全兼容的制备工艺，以实现全III族氮化物集成的光探测和信号放大在同一芯片上的集成，其中所述III族氮化物电子器件包括高电子迁移率场效应晶体管、肖特基二极管和/或电子气电阻。
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