CN210349846U - 一种吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN缓冲层，非故意掺杂Al_wGa_1‑wN过渡层，非故意掺杂Al_kGa_1‑kN组分渐变层，重掺杂n型Al_xGa_1‑xN欧姆接触层，非故意掺杂Al_yGa_1‑yN吸收层，电荷层，非故意掺杂Al_yGa_1‑yN倍增层以及p型掺杂Al_yGa_1‑yN层；其中，所述的电荷层至少包括两层n型Al_zGa_1‑zN层，且电荷层中掺杂浓度依次呈高—低掺杂分布。所述探测器可有效改善III族氮化物半导体雪崩光电探测器性能，实现低噪声、低工作电压、高增益、高量子效率功能。

Description

一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探 测器

技术领域

本实用新型涉及光电探测器领域，更具体地，涉及一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器。

背景技术

基于AlGaN的紫外探测器因其在日盲紫外(220～280nm)探测中的潜力而受到人们的广泛关注，在导弹预警、火焰监测和环境监测等领域有着广泛的应用前景。在大多数这些应用中，由于日盲紫外信号通常非常微弱，因此要求紫外探测器具有低暗电流、高量子效率和高内增益。雪崩光电二极管具有高光电流增益、高响应速度和低噪声等优点，是实现高灵敏度日盲探测的最有前途的器件之一。

自2005年肖特基型和p-i-n型AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管(APD)分别首次研制成功以来，研究者们通过改进外延生长方案、器件工艺技术和结构设计，使得AlGaN日盲紫外APD的增益性能得到了数量级的提高。许多研究表明，对于GaN和AlGaN基紫外APD 来说，吸收和倍增分离(Separate Absorption and Multiplication,SAM)结构是首选的结构。在SAM结构中，光子吸收过程和碰撞电离过程是相互独立的。因此，SAM-APD具有减小吸收区隧穿暗电流成分和实现单载流子注入倍增区的优点。采用单载波注入，可以有效地降低倍增噪声。近期以来，对AlGaN日盲紫外SAM-APD的研究主要集中在倍增区电场的增强上，其中有代表性的技术改善是采用极化工程，即通过引入极化电场，降低雪崩击穿电压，从而降低漏电流，提高光增益。而在SAM结构中，电荷层起着分离吸收层和倍增层的作用，其对吸收层和倍增层中电场的影响也不可忽视。但是，目前还没有关于AlGaN日盲紫外 SAM-APD电荷层结构改进的相关研究报道。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，采用掺杂分区分布，通过在外延生长过程中调控掺杂分布以及组分，改善倍增区和吸收区的电场分布，增大倍增区电场，有利于单载流子(空穴)触发的雪崩增益，实现低噪声、高增益的高性能雪崩光电探测器，同时降低光电探测器雪崩击穿时的外加电压。

本实用新型采取的技术方案是：

本实用新型提供了一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，所述外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN 缓冲层，非故意掺杂Al_wGa_1-wN(uid-Al_wGa_1-wN)过渡层，非故意掺杂Al_kGa_1-kN(uid-Al_kGa_1-kN) 组分渐变层，重掺杂n型Al_xGa_1-xN(重掺杂n⁺-Al_xGa_1-xN)欧姆接触层，非故意掺杂Al_yGa_1-yN (uid-Al_yGa_1-yN)吸收层，电荷层，非故意掺杂Al_yGa_1-yN(uid-Al_yGa_1-yN)倍增层以及p型掺杂Al_yGa_1-yN(p-Al_yGa_1-yN)层；所述的电荷层至少包括两层n型Al_zGa_1-zN层，且电荷层中掺杂浓度依次自上而下呈高、低型掺杂分布。

本实用新型通过在外延生长过程中调控电荷层掺杂杂质的浓度，使得电荷层中电子浓度呈现高-低状的分布，其中高低掺杂结构不仅可以在增强倍增层电场的同时保持吸收层中电场不发生明显变化，而且可以提高吸收层中光生空穴渡越电荷层的效率；而较低的Al组分的电荷层则可以通过应力调控而产生的极化电场来增强倍增层中的电场强度，从而降低雪崩击穿工作电压。其中，外延生长采用金属有机化学气相沉积外延外生长法(MOCVD)或分子束外延生长法(MBE)。

进一步的，所述电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层、低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层。其中，较高掺杂浓度的n型掺杂Al_zGa_1-zN电荷层主要起到将吸收层与倍增层分隔的作用，光生空穴要渡越过电荷层而达到倍增层。在靠近倍增区设置较高掺杂浓度的n型掺杂Al_zGa_1-zN电荷层，相对于均匀掺杂，可以增加倍增层电场，有利于空穴在倍增区碰撞电离，并且降低整个器件的工作电压。

进一步的，所述高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层、低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层的掺杂浓n₈、n₇满足以下关系：n₇<n₈。具体的，电子浓度n₈在n₈＝8×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3之间，而 n₇在1×10¹⁶～2×10¹⁷cm^-3之间，本发明中采用高低浓度的掺杂可以有两方面作用，一方面，改变倍增区电场，另一方面，便于载流子渡越。

进一步的，所述较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层与较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层的总厚度为10～130nm。

进一步的，所述较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层、较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层中平均Al组分满足：z≤y。更优选地，z<y。当电荷层采用的平均Al组分z<y时，可引入极化电场，为非故意掺杂Al_yGa_1-yN倍增层提供一个与工作电场方向一致的附加电场，进一步增大倍增层电场强度，降低雪崩光电探测器产生雪崩击穿所需的外加电压。

进一步的，所述高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层、较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层满足以下关系：

(1)较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层组分的厚度为d₈＝3～40nm，Al组分z₈＝0.35～0.65，电子浓度n₈＝8×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-3；

(2)较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层组分的厚度为d₇＝3～40nm，Al组分z₇＝0.35～0.65，电子浓度n₇＝1×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3。

本实用新型通过对电荷层的掺杂浓度分布、厚度以及组分进行创新设计，起到了提高光生空穴渡越电荷层的效率、增强倍增层电场强度的有益作用。

进一步的，所述衬底为蓝宝石衬底或氮化铝衬底。

进一步的，所述AlN缓冲层为低温或者高温生长，低温缓冲层的厚度为10～30nm；高温缓冲层的厚度为0.2～3μm。

进一步的，所述的非故意掺杂Al_wGa_1-wN过渡层的厚度为0.2～1μm，Al组分w＝0.45～1，层中电子浓度为1×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁷cm^-3。

进一步的，所述非故意掺杂Al_kGa_1-kN组分渐变层的厚度为30～100nm，Al组分k由Al_wGa_1-wN过渡层的Al组分w线性渐变到重掺杂n型Al_xGa_1-xN欧姆接触层的Al组分x，层中电子浓度为1×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁷cm^-3。本实用新型结构中非故意掺杂Al_kGa_1-kN组分渐变层用于降低材料生长时缺陷、应力和错位，降低晶格失配系数和热膨胀系数，保证了外延层的良好性能。

进一步地，所述重掺杂n型Al_xGa_1-xN欧姆接触层的厚度为0.3～1μm；Al组分范围 x＝0.4～0.8，层中电子浓度为5×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3。所述n型的重掺杂Al_xGa_1-xN欧姆接触层，兼具n型欧姆接触电极层与主要入射窗口层的作用。

进一步地，所述非故意掺杂Al_yGa_1-yN吸收层的厚度为0.15～0.2μm，Al组分y＝0.35～0.7，层中电子浓度1×10¹⁶～2×10¹⁷cm^-3。所述非故意掺杂Al_yGa_1-yN层吸收层的作用在于吸收光信号并产生电子空穴对。在反向偏电场作用下，光生电子被收集到n型欧姆接触层的电极，空穴被运输到至n型掺杂Al_zGa_1-zN电荷层。

进一步地，所述非故意掺杂Al_yGa_1-yN倍增层的厚度为100～300nm，Al组分y＝0.35～0.65，电子浓度为1×10¹⁶～2×10¹⁷cm^-3。所述非故意掺杂Al_yGa_1-yN倍增层的作用是利用其内部的高电场强度，使进入倍增层的光生空穴发生碰撞电离，触发雪崩效应，产生雪崩增益。

进一步地，所述的p型掺杂Al_yGa_1-yN层的厚度为30～200nm，Al组分0.35～0.65，空穴浓度为3×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3。所述p型掺杂Al_yGa_1-yN接触层是构成PN结，形成倍增层内部高内建电场的重要组成部分，同时也是p型欧姆接触电极的接触层。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过采用分层掺杂的方式调控电荷层，靠近倍增区高掺杂，相对于均匀掺杂，可以增加倍增层电场，有利于空穴在倍增区碰撞电离，并且降低整个器件的工作电压；

(2)本实用新型靠近倍增层的高掺杂电荷层中采用的平均Al组分比吸收层和倍增层的Al组分小，可引入极化电场，为倍增层提供一个与工作电场方向一致的附加电场，进一步增大倍增层中电场强度，是与其它通过改变倍增层的Al组分引入极化电场所不同的新型结构；

(3)本实用新型通过对电荷层进行包括掺杂浓度、厚度和组分在内的结构设计，使雪崩光电探测器具有低噪声、低工作电压、高增益、高量子效率的特性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中吸收、倍增层分离的AlGaN半导体雪崩光电探测器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种吸收、倍增分离结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器，具体包括：纤锌矿结构单晶蓝宝石衬底101，利用分子束外延生长法生长外延层，具体的，依次在衬底101上生长的厚20nm的低温AlN缓冲层102、400nm的非故意掺杂Al_0.7Ga_0.3N过渡层103、100nm的Al_0.6Ga_0.4N组分渐变层104、0.4μm厚的重掺杂n型Al_0.6Ga_0.4N欧姆接触层105、0.18μm厚的非故意掺杂Al_0.5Ga_0.5N吸收层106、60nm厚的电荷层、130nm厚的非故意掺杂Al_0.5Ga_0.5N倍增层109以及100nm厚的p型掺杂Al_0.5Ga_0.5N层110；其中，重掺杂n型Al_0.6Ga_0.4N欧姆接触层105的电子浓度为2×10¹⁸cm^-3，所述非故意掺杂Al_0.5Ga_0.5N 吸收层106的电子浓度为6×10¹⁶cm^-3。

进一步的，所述的电荷层包括自上而下依次层叠的较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层 108、低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层107，具体参数如下：

(1)高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层108的厚度为30nm，电子浓度为2×10¹⁸cm^-3， Al组分z＝0.40；

(2)低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层107的厚度为30nm，电子浓度为1×10¹⁷cm^-3， Al组分y＝0.50。

本实施例中，由高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层108、低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层107构成的电荷层，其电子浓度呈现高低型的掺杂分布，与单一Al组分、均匀掺杂的电荷层SAM结构雪崩光电探测器相比，在相同工作电压下不仅可以增加倍增层电场强度，有利于空穴在倍增区的碰撞电离、提高雪崩增益、降低暗电流，而且可以提高光生空穴渡越电荷层的几率，提升量子效率，从而实现低噪声、高增益、高量子效率的高性能AlGaN紫外光雪崩光电探测器的制备。

实施例2

本实施例提供了一种吸收、倍增分离结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器，所述的电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层、低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层，具体参数如下：

(1)高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层的厚度为60nm，电子浓度为3×10¹⁸cm^-3，Al 组分z＝0.50；

(2)低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层的厚度为50nm，电子浓度为5×10¹⁷cm^-3，Al 组分y＝0.50。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，包括衬底(101)及生长于衬底(101)之上的外延层，其特征在于，所述外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN缓冲层(102)，非故意掺杂Al_wGa_1-wN过渡层(103)，非故意掺杂Al_kGa_1-kN组分渐变层(104)，重掺杂n型Al_xGa_1-xN欧姆接触层(105)，非故意掺杂Al_yGa_1-yN吸收层(106)，电荷层，非故意掺杂Al_yGa_1-yN倍增层(109)以及p型掺杂Al_yGa_1-yN层(110)；所述的电荷层至少包括两层n型Al_zGa_1-zN层，且电荷层中掺杂浓度自上而下依次呈高、低型掺杂分布。

2.根据权利要求1所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层(108)、较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层(107)。

3.根据权利要求2所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层(108)、较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层(107)中平均Al组分满足：z≤y。

4.根据权利要求2或3所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层(108)、较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层(107)满足以下关系：

(1)较高掺杂浓度的n型Al_zGa_1-zN层(108)厚度为d₈＝3～40nm；

(2)较低掺杂浓度的n型Al_yGa_1-yN层(107)厚度为d₇＝3～40nm。

5.根据权利要求1所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述衬底(101)为蓝宝石衬底或氮化铝衬底。

6.根据权利要求1所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述的非故意掺杂Al_wGa_1-wN过渡层(103)的厚度为0.2～1μm。

7.根据权利要求1所述的一种吸收、倍增层分离结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述非故意掺杂Al_kGa_1-kN组分渐变层(104)的厚度为30～100nm。

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