CN204130567U - 一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，包括蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底之上至下而上依次设置AlN缓冲层、i型AlGaN层、n型AlGaN窗口层、i型AlGaN吸收层、AlGaN电荷层、i型GaN倍增层、p型GaN欧姆接触层和P型欧姆电极；在所述n型AlGaN窗口层的上表面上，在所述i型AlGaN吸收层外侧，设置有n型欧姆电极。在所述蓝宝石衬底的下方设置有一个一维二元光子晶体滤波膜系；所述一维二元光子晶体滤波膜系包括第一光子晶体滤波膜系和第二光子晶体滤波膜系。本实用新型的用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，具有可实现光电二极管光谱响应的截止波长低于280nm的日盲特性，且避免了外接滤波系统的复杂性和制备工艺的高成本和高难度等优点。

Description

一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管

技术领域

本发明涉及一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，特别涉及一种AlGaN基日盲紫外探测的雪崩光电二极管，属于半导体光电子器件设计与制造领域。

背景技术

日盲紫外探测技术利用太阳光谱盲区的紫外波段探测目标，其背景干扰小、目标信号容易检测、不易产生虚假警报等优点，在火灾探测、臭氧检测、导弹预警、紫外通迅等民用和军事领域有着广泛的应用。紫外探测技术的关键是研制高灵敏度、低噪声的紫外探测器件。目前，高灵敏紫外探测常采用光电倍增管(PMT)及紫外增强型Si光电二极管，然光电倍增管体积大，工作电压高(>1000V)，功耗大，价格昂贵，还需要致冷系统，因而限制了它在紫外波段的应用。基于Si材料和其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的紫外探测器虽然工艺已发展成熟，但材料的禁带宽度小，工作在紫外波段需集成价格昂贵的滤波系统，也导致这类探测器的应用受到限制。

近年来，新型(Al)GaN基半导体材料由于其宽带隙、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优异的物理化学特性，已经在光电子器件(发光二极管和激光器)方面取得巨大的成功。同样，因为(Al)GaN基半导体材料的这些优异的物理化学特性，使它在光电探测器件领域具有重要的应用前景。Al组分高于0.4的AlGaN基紫外探测器具有天然的日盲特性，且体积小，功耗低，暗电流小，高量子效率、高响应速度、工作时无需集成冷却系统和分立的滤波系统，一直成为人们的研究热点。其中PIN型AlGaN基日盲雪崩光电二极管是一种较为广泛的器件研究类型，但这种类型的雪崩光电二极管，倍增层中空穴和电子均参与初始离化，器件过量噪声因子大。进一步研究表明，在AlGaN基材料中，空穴的离化系数大于电子的离化系数，采用分离吸收倍增结构(SAM)，将吸收层和倍增层分开，利用背入射，使单一载流子空穴参与初始离化，不仅可以提高器件的倍增因子，同时还能减少器件的过量噪声。然而目前，由于高Al组分AlGaN晶体的质量差，位错密度高，以及低的p型掺杂效率，很难制备出增益突破10³的PIN型或SAM型同质结构的AlGaN基日盲紫外雪崩光电二极管，可是在目前的日盲紫外探测市场中，AlGaN基日盲紫外雪崩光电二极管要想参与PMT市场竞争，必须具有更小的暗电流，且倍增因子至少要高于10⁴。另一方面，低Al组分的GaN基雪崩光电二极管发展迅速，工作于线性模式，倍增因子高于10⁵以及工作于盖革模式倍增因子高于10⁷GaN APD都已成功获得，但此类雪崩光电二极管只具有可见光盲，不具有日盲特性。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，以实现光电二极管光谱响应的截止波长低于280nm的日盲特性。

本实用新型为解决技术问题采用以下技术方案。

一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其结构特点是，包括蓝宝石衬底、AlN缓冲层、i型AlGaN层、n型AlGaN窗口层、i型AlGaN吸收层、AlGaN电荷层、i型GaN倍增层、p型GaN欧姆接触层、P型欧姆电极和n型欧姆电极；

在所述蓝宝石衬底之上至下而上依次设置AlN缓冲层、i型AlGaN层、n型AlGaN窗口层、i型AlGaN吸收层、AlGaN电荷层、i型GaN倍增层、p型GaN欧姆接触层和P型欧姆电极；在所述n型AlGaN窗口层的上表面上，在所述i型AlGaN吸收层外侧，设置有n型欧姆电极。

本实用新型的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管还具有以下技术特点。

在所述蓝宝石衬底的下方设置有一个一维二元光子晶体滤波膜系；所述一维二元光子晶体滤波膜系包括第一光子晶体滤波膜系(即图2中的膜系1)和第二光子晶体滤波膜系(即图2中的膜系2)；所述第二光子晶体滤波膜系位于蓝宝石衬底的下方，所述第一光子晶体滤波膜系位于第二光子晶体滤波膜系的下方。

不掺杂的AlGaN层的厚度为500nm-600nm，n型AlGaN窗口层的厚度为300nm-500nm，i型AlGaN吸收层的厚度为150nm-250nm，i型GaN倍增层的厚度为140nm-200nm，p型GaN欧姆接触层的厚度为100nm-250nm。

所述n型渐变的AlGaN电荷层的厚度为30nm-50nm。载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3-2×10¹⁸cm^-3。

所述第一光子晶体滤波膜系和所述第二光子晶体滤波膜系是两种周期和厚度不同但是材料相同的膜系。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，采用分离吸收倍增结构，在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层，然后在缓冲层上依次外延生长i型AlGaN层，n型AlGaN窗口层，i型AlGaN吸收层，n型渐变的AlGaN电荷层，i型GaN倍增层以及p型GaN欧姆接触层，最后在蓝宝石衬底的下方生长一维二元光子晶体滤波膜系，P型欧姆电极直接覆盖在p型GaN层上，n型欧姆电极则生长在n型AlGaN窗口层上。本发明针对高Al组分AlGaN基日盲紫外雪崩光电二极管晶体质量差，倍增因子低的不足，采用晶体质量较好、低离化阈值能量，高离化系数的GaN层取代传统高Al组分的AlGaN层作为倍增层，从而实现倍增因子的显著提高；同时利用光子晶体滤波膜系滤去GaN材料对280nm-370nm波段的光电响应，使得雪崩光电二极管的光谱响应的截止波长具有低于280nm的日盲特性。本发明主要应用于光电二极管的设计制造。

本实用新型的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，具有以下几个技术特点。

1)提高探测器增益，降低噪声：利用GaN层取代高Al组分的AlGaN层作为倍增层，不仅提高了倍增层的晶体质量，而且相对于高Al组分的AlGaN材料，GaN材料有更低的离化阈值能量，更高的离化系数，使雪崩光电二极管的倍增因子至少提高一至两个数量级，同时，由于倍增层和吸收层导带不连续，可以实现较低的过量噪声。

2)有效提高p型层掺杂浓度，提高器件性能：利用GaN材料作为p型欧姆接触层，能够实现高浓度的p型掺杂，从而降低器件的雪崩击穿电压，减少暗电流，提高器件性能。

3)提高利用光子晶体滤波膜系实现日盲特性的可行性：利用高Al组分的AlGaN层作为光的吸收层，由于吸收层的Al组分大于0.4，只有入射光波长小于280nm的光才能被吸收层吸收，波长大于280nm的光则无响应。可是280nm-370nm波段的光将会被电荷层和倍增层吸收，产生光电响应，要实现日盲特性，只需将该波段的光滤去，由于该波段禁带宽度不大，因此降低了光子晶体滤波膜系材料选择与结构设计的难度。

4)制备过程简单：利用光子晶体滤波膜系实现日盲特性，克服了滤波系统与探测器分立式结构复杂的缺点，降低器件制备工艺的难度。

5)结构设计更加灵活：通过调节光子晶体禁带宽度，使得能够实现日盲效应的雪崩光电二极管的材料选择和结构设计更加灵活多样。

本实用新型的用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，具有可实现光电二极管光谱响应的截止波长低于280nm的日盲特性，且避免了外接滤波系统的复杂性和制备工艺的高成本和高难度等优点。

附图说明

图1为本实用新型的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管的结构示意图。

图2为本实用新型的用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管的蓝宝石衬底和一维二元光子晶体滤波膜系的结构示意图。

图1-2中的标号为：1滤波膜系，2蓝宝石衬底，3AlN缓冲层，4i型AlGaN层，5n型AlGaN窗口层，6i型AlGaN吸收层，7n型渐变的AlGaN层，8i型GaN倍增层，9p型GaN欧姆接触层，10P型欧姆电极，11n型欧姆电极。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，包括蓝宝石衬底2、AlN缓冲层3、i型AlGaN层4、n型AlGaN窗口层5、i型AlGaN吸收层6、AlGaN电荷层7、i型GaN倍增层8、p型GaN欧姆接触层9、P型欧姆电极10和n型欧姆电极11；

在所述蓝宝石衬底2之上至下而上依次设置AlN缓冲层3、i型AlGaN层4、n型AlGaN窗口层5、i型AlGaN吸收层6、AlGaN电荷层7、i型GaN倍增层8、p型GaN欧姆接触层9和P型欧姆电极10；在所述n型AlGaN窗口层5的上表面上，在所述i型AlGaN吸收层6外侧，设置有n型欧姆电极11。

在所述蓝宝石衬底2的下方设置有一个一维二元光子晶体滤波膜系1；所述一维二元光子晶体滤波膜系1包括第一光子晶体滤波膜系(即图2中的膜系1)和第二光子晶体滤波膜系(即图2中的膜系2)；所述第二光子晶体滤波膜系位于蓝宝石衬底2的下方，所述第一光子晶体滤波膜系位于第二光子晶体滤波膜系的下方。

不掺杂的AlGaN层4的厚度为500nm-600nm，n型AlGaN窗口层5的厚度为300nm-500nm，i型AlGaN吸收层6的厚度为150nm-250nm，i型GaN倍增层8的厚度为140nm-200nm，p型GaN欧姆接触层9的厚度为100nm-250nm。

所述n型渐变的AlGaN电荷层7的厚度为30nm-50nm。载流子浓度为1×10¹⁸cm^-3 _-2×10¹⁸cm^-3。

所述第一光子晶体滤波膜系和所述第二光子晶体滤波膜系是两种周期和厚度不同但是材料相同的膜系。

所述光子晶体滤波膜系由两种周期和厚度不同，材料相同的膜系共同组成。

所述第一光子晶体滤波膜系：材料为Si₃N₄/SiO₂两层交替组成，周期为9对半或十对半，厚度为51.4nm/37.3nm，第一层为Si₃N₄，最后一层也是Si₃N₄。第二光子晶体滤波膜系：材料仍为Si₃N₄/SiO₂两层交替组成，周期为9对或十对，厚度为59nm/42.9nm，奇数层为Si₃N₄，偶数层为SiO₂。所述第一光子晶体滤波膜系在第二光子晶体滤波膜系的下方。

在蓝宝石衬底2上生长AlN缓冲层3，然后在缓冲层上依次外延生长i型AlGaN层4，n型AlGaN窗口层5，i型AlGaN吸收层6，n型渐变的AlGaN电荷层7，i型GaN倍增层8以及p型GaN欧姆接触层9，P型欧姆电极10直接覆盖在p型GaN层(9)上，n型欧姆电极11则生长在n型AlGaN窗口层5上。：在蓝宝石衬底底部生长一维二元光子晶体滤波膜系1。

不掺杂的AlGaN层4和n型AlGaN窗口层5的Al的摩尔组分相同为0.5-0.6，i型AlGaN吸收层6的Al的摩尔组分为0.4，n型渐变的AlGaN电荷层7的Al的摩尔组分从0.4渐变到0。

在蓝宝石衬底2上生长的AlN缓冲层3，在缓冲层上依次外延生长的i型AlGaN层4，n型AlGaN窗口层5，i型AlGaN吸收层6，n型渐变的AlGaN电荷层7，i型GaN倍增层8以及p型GaN欧姆接触层9，P型欧姆电极10直接覆盖在p型GaN层9上，n型欧姆电极11则生长在n型AlGaN窗口层5上。其中AlGaN层4的厚度为500nm-600nm，n型AlGaN窗口层5的厚度为300nm-500nm，i型AlGaN吸收层6的厚度为150nm-250nm，i型GaN倍增层8的厚度为140nm-200nm，p型GaN欧姆接触层9的厚度为100nm-250nm，n型渐变的AlGaN层7的厚度为30nm-50nm，p型和n型载流子浓度均为1×10¹⁸cm^-3-2×10¹⁸cm^-3，最后在蓝宝石衬底的下方生长一维二元光子晶体滤波膜系1，光子晶体膜系的设计要求：能够滤去GaN材料有光电响应的280nm-370nm波段的光波；膜系材料的选择应为在日盲区不吸收，或吸收系数小的材料；结构的设计应满足让280nm-370nm波段的光处于光子晶带中，而小于280nm波段的紫外光则有高透射现象。

如图1，用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，包括在蓝宝石衬底2上生长的AlN缓冲层3，以及在缓冲层上依次外延生长的i型AlGaN层4，n型AlGaN窗口层5，i型AlGaN吸收层6，n型渐变的AlGaN层7，i型GaN倍增层8以及p型GaN欧姆接触层9，P型欧姆电极10直接覆盖在p型GaN层9上，n型欧姆电极11则生长在n型AlGaN层4上，最后在蓝宝石衬底的下方生长光子晶体滤波膜系1。

其中i型AlGaN层4的厚度为500nm-600nm，n型AlGaN窗口层5的厚度为300nm-500nm，i型AlGaN吸收层6的厚度为150nm-250nm，i型GaN倍增层8的厚度为140nm-200nm，p型GaN欧姆接触层9的厚度为100nm-250nm，n型渐变的AlGaN层7的厚度为30nm-50nm，i型AlGaN层4和n型AlGaN窗口层5的Al组分相同为0.5-0.6，i型AlGaN吸收层6的Al组分为0.4，n型渐变的AlGaN层7的Al组分从0.4渐变到0，p型和n型载流子浓度均为1×10¹⁸cm^-3-2×10¹⁸cm^-3。

图2为光子晶体滤波膜系的结构示意图，三族氮化物半导体光电子器件常采用SiOx、SiNx、Al2O3、AlN等作为钝化层，所以上述材料生长工艺较为成熟，其中SiOx和SiNx薄膜生长质量好，制备简单，成本低，且两种材料的折射率相差较大，对波长大于250nm的紫外光吸收系数小，因此，本发明中把Si₃N₄/SiO₂作为光子晶体膜系的首选材料，选定材料后，由于材料的折射率固定，单一膜系的禁带宽度达不到滤波要求，因此，本发明光电二极管滤波膜系采用周期和厚度不同，材料相同的两种膜系共同组成，从而扩展光子晶体的禁带宽度。单一膜系的结构没有选择通常的λ/4结构，因为这种膜系结构对高反区以外的光波段也存在较高的反射率。发明中采用膜系1：材料为Si₃N₄/SiO₂，周期为9对半或十对半，厚度为51.4nm/37.3nm，第一层为Si₃N₄，最后一层也是Si₃N₄；膜系2：材料仍为Si₃N₄/SiO₂，周期为9对或十对，厚度为59nm/42.9nm，奇数层为SiO₂，偶数层为Si₃N₄，膜系1在膜系2的下方。

所述雪崩光电二极管的制造方法：利用金属有机物化学气相沉积的(MOCVD)方法，在蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层、i型AlGaN层、n型AlGaN窗口层、i型AlGaN吸收层、n型渐变的AlGaN层、i型GaN倍增层以及p型GaN欧姆接触层；然后利用半导体微加工方法在P型GaN层上制备p型欧姆接触电极，在n型AlGaN窗口层上制备n型欧姆接触电极；最后利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在蓝宝石衬底背面制备Si₃N₄/SiO₂光子晶体膜系。

本实用新型的GaN/AlGaN分离吸收倍增型日盲紫外雪崩光电二极管，采用i型AlGaN层作为日盲紫外光的吸收层，采用晶体质量较好的i型GaN层作为倍增层，实现光电二极管的高雪崩增益因子，并在雪崩光电二极管衬底底部生长光子晶体滤波膜系，利用光子晶体滤波膜系滤去GaN材料对280nm-370nm波段的光电响应，实现光电二极管光谱响应的截止波长低于280nm的日盲特性，且避免了外接滤波系统的复杂性和制备工艺的高成本和高难度。

以上所述例子做了说明，以便允许容易的理解本实用新型，但上述例子并不限制本实用新型。相反，本实用新型打算包含各种改型和等效配置，其范围在法律允许下要被给予最宽的解释以便包括所有这样的改型和等效机构。

Claims (5)

1.一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其特征是，包括蓝宝石衬底(2)、AlN缓冲层(3)、i型AlGaN层(4)、n型AlGaN窗口层(5)、i型AlGaN吸收层(6)、AlGaN电荷层(7)、i型GaN倍增层(8)、p型GaN欧姆接触层(9)、P型欧姆电极(10)和n型欧姆电极(11)； 

在所述蓝宝石衬底(2)之上至下而上依次设置AlN缓冲层(3)、i型AlGaN层(4)、n型AlGaN窗口层(5)、i型AlGaN吸收层(6)、AlGaN电荷层(7)、i型GaN倍增层(8)、p型GaN欧姆接触层(9)和P型欧姆电极(10)；在所述n型AlGaN窗口层(5)的上表面上，在所述i型AlGaN吸收层(6)外侧，设置有n型欧姆电极(11)。 

2.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其特征是，在所述蓝宝石衬底(2)的下方设置有一个一维二元光子晶体滤波膜系(1)；所述一维二元光子晶体滤波膜系(1)包括第一光子晶体滤波膜系和第二光子晶体滤波膜系；所述第二光子晶体滤波膜系位于蓝宝石衬底(2)的下方，所述第一光子晶体滤波膜系位于第二光子晶体滤波膜系的下方。 

3.根据权利要求2所述的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其特征是，所述第一光子晶体滤波膜系和所述第二光子晶体滤波膜系是两种周期和厚度不同但是材料相同的膜系。 

4.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其特征是，所述i型AlGaN层(4)的厚度为500nm-600nm，n型AlGaN窗口层(5)的厚度为300nm-500nm，i型AlGaN吸收层(6)的厚度为150nm-250nm，i型GaN倍增层(8)的厚度为140nm-200nm，p型GaN欧姆接触层(9)的厚度为100nm-250nm。 

5.根据权利要求1所述的一种用于日盲紫外探测的雪崩光电二极管，其特征是，所述AlGaN电荷层(7)的厚度为30nm-50nm；载流子浓度范围为1×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁸cm^-3。