專(zhuān)利名稱(chēng)：基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測(cè)器，尤其涉及一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
III族氮化物屬于第三代半導(dǎo)體，是典型的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料。GaN基材料(包括其ニ元化合物GaN、InN和A1N，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN)具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、耐高溫、耐腐蝕、抗輻射、導(dǎo)熱性能好等特性，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子、光電子器件。而基于GaN基材料的雪崩光電探測(cè)器具有體積小、工作電壓低、耐高溫、量子效率高、無(wú)需濾光片等優(yōu)點(diǎn)，成為光電探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。高性能雪崩光電探測(cè)器需要具備高增益、低噪聲的特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。研究表明，由單載流子(電子或空穴)觸發(fā)而產(chǎn)生的雪崩増益與雙載流子觸發(fā)相比具有更低的噪聲，而采用碰撞電離系數(shù)更大的載流子觸發(fā)雪崩則能產(chǎn)生相對(duì)更大的増益；因此為了實(shí)現(xiàn)雪崩光電探測(cè)器的高増益、低噪聲性能，通過(guò)器件外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以使碰撞電離系數(shù)較大的載流子去觸發(fā)雪崩是ー種有效的方法。以n型半導(dǎo)體肖特基結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器為例，當(dāng)光信號(hào)從n型半導(dǎo)體ー側(cè)入射時(shí)，對(duì)應(yīng)波段的光會(huì)在n型層中被吸收，激發(fā)出電子空穴對(duì)。在反偏電場(chǎng)的作用下，電子被收集到n型歐姆接觸處，空穴被運(yùn)輸?shù)浇饘匐姌O與非摻雜半導(dǎo)體接觸所形成的耗盡層(有源層)中，觸發(fā)雪崩擊穿，因此光信號(hào)從n型層ー側(cè)入射可以實(shí)現(xiàn)空穴觸發(fā)的雪崩擊穿。對(duì)于GaN材料，空穴碰撞電離系數(shù)大于電子碰撞電離系數(shù),傳統(tǒng)上一般傳米用P-I-N-I-N結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收倍增層分離和空穴觸發(fā)雪崩的目的，這種結(jié)構(gòu)主要有兩種缺點(diǎn)(I )GaN基材料的p型摻雜可控性較差，在晶體質(zhì)量，載流子濃度和形成P型歐姆接觸方面并不理想，這樣會(huì)影響器件的整體性能；(2)由于生長(zhǎng)重?fù)降膒型GaN基材料會(huì)出現(xiàn)表面劣化的現(xiàn)象，難以將質(zhì)量良好的n型GaN基材料生長(zhǎng)在p型GaN基材料之上，因此需要采用背入射方式來(lái)實(shí)現(xiàn)空穴觸發(fā)的雪崩。但是為了實(shí)現(xiàn)背入射，不僅要求襯底本身是透光材料(即襯底材料的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)要低于入射信號(hào))，而且在其技術(shù)規(guī)格上要求是雙面拋光，這樣增大了エ藝的難度。此外，襯底和吸收層之間的緩沖層、歐姆接觸層等外延層對(duì)光信號(hào)的吸收也會(huì)降低探測(cè)器的外量子效率，從而影響雪崩光電探測(cè)器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，包括依次層疊的襯底、緩沖層、n型慘雜AlxInyGa1TyN層、非慘雜或低慘雜濃度的AlxlInylGa1I1I1N吸收層、非慘雜或低摻雜濃度的Alx2Iny2Ga^y2N緩變層以及非摻雜或低摻雜濃度的n型Alx3Iny3Ga^y3N倍增層。其中，緩沖層、n 型摻雜 AlxInyGanyN 層、AlxlInylGa1IylN 吸收層、Alx2Iny2Ga1Iy2N 緩變層以及n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層均利用外延生長(zhǎng)法，如分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延法等依次層疊生長(zhǎng)于襯底上。利用非摻雜或低摻雜濃度的n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N和金屬形成肖特基接觸，用肖特基耗盡層作為倍增層，這樣避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中材料的P型摻雜的難題，同時(shí)利用n型Alx3Iny3Ga^y3N倍增層和AlxlInylGai_xl_ylN吸收層禁帶寬度的不同達(dá)到對(duì)特定波長(zhǎng)的紫外光信號(hào)實(shí)現(xiàn)吸收、倍増層分離的目的，當(dāng)入射光信號(hào)波長(zhǎng)大于n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層材料截至波長(zhǎng)而小于AlxlInylGa1^1N吸收層截至波長(zhǎng)時(shí)，入射信號(hào)會(huì)透過(guò)n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍増層到達(dá)非摻雜或低摻雜濃度的AlxlInylGa1^1N吸收層被吸收。緩沖層用于降低材料生長(zhǎng)時(shí)缺陷、應(yīng)カ和錯(cuò)位，使外延層具有良好的性能；
優(yōu)選地，所述n型摻雜AlxInyGamN層的厚度為0. I 5 y m ;
優(yōu)選地，非摻雜或低摻雜濃度的AlxlInylGanylN吸收層的厚度為0. 05 2 y m，其有吸收光信號(hào)的功能，在反偏電壓下，電子被收集到n型摻雜AlxInyGa1TyN層,空穴被運(yùn)輸?shù)椒菓K雜或低慘雜濃度的n型Alx3Iny3Gahky3N倍增層；
優(yōu)選地，非摻雜或低摻雜濃度的Alx2Iny2Gai_x2_y2N緩變層的厚度為0. 01 0. 2 ii m，其禁帶寬度在AlxlInylGanylN吸收層和n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層的禁帶寬度范圍內(nèi)從下往上連續(xù)或梯度線(xiàn)性變大，作用在于減緩AlxlInylGanylN吸收層和n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍増層的能帶突變程度，改善因能帶突變所產(chǎn)生的帶階對(duì)載流子收集效率的影響，同時(shí)也可緩釋外延層間的應(yīng)カ，降低倍増層中錯(cuò)位等缺陷。其中，所述n型Alx3Iny3Ga^y3N倍增層的禁帶寬度大于AlxlInylGa1^1N吸收層的禁帶寬度；
優(yōu)選地，非摻雜或低摻雜濃度的n型Alx3Iny3Ga^y3N倍增層的厚度為0. 02 2 y m，該層通過(guò)與金屬形成肖特基能提供高的反偏電場(chǎng)，使進(jìn)入倍增層的空穴得到足夠的動(dòng)能，發(fā)生碰撞電離；另一方面，通過(guò)改變Al、In組分調(diào)節(jié)禁帶寬度可以實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)紫外信號(hào)透過(guò)n型Alx3Iny3Gany3N倍增層而被AlxlInylGa1IylN吸收層吸收的目的。另外,所述n型摻雜AlxInyGa1TyN層的組分中，X=O I, y=0 I, x+y ≤I ;所述AlxlInylGanylN 吸收層的組分中，xl=0 l,yl=0 l,xl+yl ≤I ;所述 Alx2Iny2Ga1Iy2N 緩變層的組分中，x2=0 I, y2=0 I, x2+y2 ≤I ;所述n型Alx3Iny3Gany3N倍增層的組分中，x3=0 I, y3=0 I, x3+y3 ^ I。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明選用n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N作為倍增層，避免了 GaN基雪崩光電探測(cè)器制作中采用GaN基材料p型摻雜和背入射方式所帯來(lái)的不利因素，以異質(zhì)結(jié)構(gòu)和正入射方式實(shí)現(xiàn)雪崩光電探測(cè)器的吸收n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍増層分離和單載流子觸發(fā)雪崩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低噪聲、高響應(yīng)速度、高増益的光電探測(cè)。另ー方面，利用n型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層和AlxlInylGanylN吸收層禁帶寬度的不同來(lái)達(dá)到對(duì)特定波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)吸收倍增分離的目的，這種結(jié)構(gòu)對(duì)正入射的信號(hào)也能實(shí)現(xiàn)空穴觸發(fā)的雪崩増益。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了 GaN基材料的P型摻雜，簡(jiǎn)化了エ藝流程。


圖I為本發(fā)明基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體事實(shí)方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的說(shuō)明。實(shí)施例一
如圖I所示為本發(fā)明基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器的第一實(shí)施例，包括襯底1，利用外延生長(zhǎng)法，如分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延法，依次在襯底I上生長(zhǎng)的25nm的低溫GaN緩沖層和2 u m的高溫非摻雜GaN緩沖層2，I y m厚的n型摻雜GaN層3，0. 2 y m的非摻雜或低摻雜濃度的GaN吸收層4，IOOnm厚的非摻雜或低摻雜濃度的Alx2Ga1^N (x2=0 0. 4)組分緩變層5，0. I y m的非摻雜或低摻雜濃度的n型Al0.4Ga0.6N倍增層6，倍增層6同時(shí)充當(dāng)窗ロ的作用，允許波長(zhǎng)在Ala4Ga0.6N材料截止波長(zhǎng)和GaN材料截止波長(zhǎng)之間的光信號(hào)通過(guò)，在吸收層4上被吸收，這樣有利于單載流子(空穴)觸發(fā)的雪崩増益，實(shí)現(xiàn)低噪聲、高増益和高響應(yīng)速度的紫外探測(cè)器。實(shí)施例ニ·
如圖I所示為本發(fā)明基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍増層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器的第二實(shí)施例，包括襯底I，利用外延生長(zhǎng)法，如分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延法，依次在襯底I上生長(zhǎng)的25nm的低溫GaN緩沖層和2 u m的高溫非摻雜GaN緩沖層2，I y m厚的n型摻雜GaN層3，0. 2 ii m的非摻雜或低摻雜濃度的AlxlIrvxlN吸收層4 (通過(guò)調(diào)整Al、In組分能使該層與GaN形成晶格匹配，且禁帶寬度對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為適用于日盲探測(cè)的280 nm,本例中采用Ala8Ina2N), IOOnm厚的非摻雜或低摻雜濃度的Alx2Irvx2N (x2=0. 8 0. 9)組分緩變層5，0. Iiim的非摻雜或低摻雜濃度的n型Ala9Ina小倍增層6，倍增層6同時(shí)充當(dāng)窗ロ的作用，允許波長(zhǎng)在Ala8Ina2N材料截止波長(zhǎng)和Ala9InaiN材料截止波長(zhǎng)之間的光信號(hào)通過(guò)，在吸收層4上被吸收，這樣有利于單載流子(空穴)觸發(fā)的雪崩増益。對(duì)于GaN材料，由于實(shí)驗(yàn)和理論研究均已證明空穴的碰撞電離系數(shù)高于電子的碰撞電離系數(shù)，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)通過(guò)實(shí)現(xiàn)空穴觸發(fā)的雪崩能夠有效提高增益、抑制噪聲。同理，對(duì)于在高場(chǎng)下空穴碰撞電離系數(shù)大于電子碰撞電離系數(shù)的特性未因Al、In組分變化而改變的GaN基三元、四元化合物材料(AlGaN、AlInN和AlInGaN),均可采用本專(zhuān)利結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于包括依次層置的襯底、緩沖層、η型慘雜AlxInyGa1IyN層、AlxlInylGa1IKN吸收層、Alx2Iny2Gah2I2N緩變層以及η型Alx3Iny3Ga^y3N倍增層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述η型摻雜AlxInyGa1IyN層的厚度為O. I 5 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述η型摻雜AlxInyGa1IyN層的組分中，X=O I, y=0 I, x+y ( I。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述AlxlInylGa1^1N吸收層的厚度為O. 05 2 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述AlxlInylGahxlI1N吸收層的組分中，xl=0 I, yl=0 I, xl+yl ( I。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述Alx2Iny2Gany2N緩變層的厚度為O. 01 O. 2 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述Alx2Iny2Gaui2N緩變層的組分中，x2=0 I, y2=0 I, x2+y2 ( I。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述η型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層的厚度為O. 02 2 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述η型Alx3Iny3Ga1Ihy3N倍增層的組分中，χ3=0 I, y3=0 I, x3+y3 ( I。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9任一項(xiàng)所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于所述η型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層的禁帶寬度大于AlxlInylGai_xl_ylN吸收層的禁帶寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至9任一項(xiàng)所述的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，其特征在于JjMAlx2Iny2Gany2N緩變層的禁帶寬度在AlxlInylGa1^1N吸收層和η型Alx3Iny3Gai_x3_y3N倍增層的禁帶寬度范圍內(nèi)從下往上連續(xù)或梯度線(xiàn)性變大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電探測(cè)器，尤其涉及一種基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收、倍增層分離GaN基雪崩光電探測(cè)器，包括依次層疊的襯底、緩沖層、n型摻雜AlxInyGa1-x-yN層、Alx1Iny1Ga1-x1-y1N吸收層、Alx2Iny2Ga1-x2-y2N緩變層以及n型Alx3Iny3Ga1-x3-y3N倍增層。本發(fā)明選用n型Alx3Iny3Ga1-x3-y3N作為倍增層，避免了GaN基雪崩光電探測(cè)器制作中采用GaN基材料p型摻雜和背入射方式所帶來(lái)的不利因素，以異質(zhì)結(jié)構(gòu)和正入射方式實(shí)現(xiàn)雪崩光電探測(cè)器的吸收n型Alx3Iny3Ga1-x3-y3N倍增層分離和單載流子觸發(fā)雪崩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低噪聲、高響應(yīng)速度、高增益的光電探測(cè)。
文檔編號(hào)H01L31/107GK102820367SQ20121033383
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者江灝, 張文樂(lè) 申請(qǐng)人:中山大學(xué)