本發(fā)明涉及一種探測器，尤其涉及一種基于III族氮化物半導體材料的低電流、雪崩光電探測器及其制備方法。

技術背景

隨著信息技術的高速發(fā)展，基于半導體的固態(tài)光電探測技術在現(xiàn)代光電信息探測領域中的地位越來越重要。以GaN基材料為代表的III族氮化物半導體(包括其二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN)具有禁帶寬度調節(jié)范圍寬、直接帶隙、電子遷移率高、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高、熱導率高、介電常數(shù)較小、耐高溫、抗輻射性強、化學穩(wěn)定性高等一系列特點，可通過調節(jié)三元或四元化合物的組分(帶隙)實現(xiàn)可見光至深紫外光范圍的探測，非常適合于制作高性能的固態(tài)光電探測器。目前，紫外探測器在火焰探測，環(huán)境監(jiān)控，太空光通信，導彈預警系統(tǒng)，量子通信等軍事或民用領域上都有著廣泛的應用需求。相比于傳統(tǒng)的真空倍增管與硅探測器，基于III族氮化物半導體的光電探測器具有量子效率高、耐高溫、耐腐蝕，抗輻照、重量輕、壽命長、抗震性、工作電壓低好等優(yōu)點，成為當前光電探測領域內研究和開發(fā)的熱點。

光電探測器主要分為光電導型和光伏型，其中光伏型光電二極管又包括非增益型的肖特基勢壘型、p-i-n結型光電二極管和具有內部增益的雪崩光電二極管(APD)等類型的器件；而基本結構是p-i-n結的APD探測器是目前最具優(yōu)勢的III族氮化物光電探測器，具有工藝簡單，內部增益大，響應速度快，靈敏度高等優(yōu)點，是可實現(xiàn)微弱光信號探測的優(yōu)選高性能光電探測器。

對于以p-i-n結為基本結構的III族氮化物雪崩光電二極管，器件內部的高電場集中分布在i層，電場強度的調控主要通過調節(jié)p型層、n型層的載流子濃度及i層的厚度來實現(xiàn)。為了增強有源層i層的電場強度，需要提高p型層中或是n型層中的載流子濃度，又或是減少i層的厚度。對于III族氮化物，p型層的空穴濃度由于受到離化能高和強自補償效應的影響，難以達到5×10¹⁸cm^-2以上；n型層的電子濃度相對容易提高，但實現(xiàn)10¹⁹cm^-2以上的電子濃度所需的高施主摻雜會導致氮化物外延晶體質量劣化；而減小i層厚度則會損失光吸收，導致量子效率降低。因此，通過p型、n型層中載流子濃度和i層厚度調控電場的空間有限，需要發(fā)展其它方法進行場強改善。

另一方面，雪崩光電探測器在其p-i結界面與i-n結界面處中存在著強電場，其中p-i結處電場最強，i-n結處電場次之，特別是器件邊緣由于刻蝕損傷等因素使其表面態(tài)密度較高，因此在器件p-i結與i-n結的邊緣處極易因電場強度過高而引發(fā)提前擊穿，同時也會因側壁的表面缺陷而導致漏電流增大等問題。傳統(tǒng)上，對于雪崩光電探測器的邊緣提前擊穿，一般是采用保護環(huán)和傾斜臺面結構來進行抑制。(參見文獻：[1]F Osaka,K Nakazima,T.Kaneda,T.Sakurai,and N.Susa,“InP/InGaAsP avalanche photodiodes with new guard ring structure”Electronics Letters,vol.52,pp.716-717,1980；[2]Ariane L.Beck,Bo Yang,XiangyiGuo,and Joy C.Campbell,“Edge Breakdown in4H-SiC Avalanche Photodiodes”IEEE J.Quantum Electron,vol.40,pp.321-324,2004.)其中，保護環(huán)結構需要采用離子注入工藝在器件臺型結構的外圈進行局部摻雜來實現(xiàn)，所需設備昂貴，且摻雜離子注入的深度、寬度均需精確控制。對于III族氮化物半導體，由于離子注入工藝的相關研究很少，當前采用該工藝的實施難度更大。而傾斜臺面結構，則主要是利用刻蝕的方法，在器件臺型側面制作出特定方向的斜臺結構，使得探測器件高電場區(qū)在器件表面的面積較之器件內部的截面積大，在相同的偏壓下，側面電場更小，以此避免邊緣電場聚集，減少暗電流。然而，由于化合物半導體的刻蝕技術對刻蝕取向不易操控(包括干法或濕法刻蝕)，使得制作傾斜臺型側壁的工藝難度較高。此外，為了有效降低邊緣電場強度，需要盡量減小側壁的傾斜度，使得器件的有效光接收面積占器件整體面積的比例大大減小。也就是說，傾斜臺面結構的方法也存在著制作工藝難度大，降低器件填充因子的缺點。因此，為了進一步提高III族氮化物雪崩光電二極管的器件性能，需要發(fā)展更為優(yōu)化的邊緣電場抑制結構。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的不足，提出了一種基于III族氮化物半導體材料的雪崩光電探測器及其制備方法，目的在于增強器件有源區(qū)(倍增層)內的電場強度，在較低的工作偏壓下產生較高的雪崩增益；同時通過雙重抑制，降低器件邊緣相對于中央部過高的電場強度，從而減少表面漏電流、防止邊緣提前擊。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下技術特征：一種I I I族氮化物半導體雪崩光電探測器，該器件至少包括襯底及利用金屬有機化學氣相沉積外延外生長法(或分子束外延生長法)依次生長在襯底上的緩沖層、過渡層、重摻雜n型氮化物歐姆接觸層、非均勻p型摻雜氮化物有源層、p型摻雜氮化物層，重摻雜p型氮化物歐姆接觸層，以及位于n型歐姆接觸層上的n型歐姆接觸電極和位于p型層上的p型歐姆接觸電極。

本發(fā)明的另外一個目的是提供一種低暗電流、低工作電壓、高增益的III族氮化物半導體雪崩光電探測器的制備方法，優(yōu)選地，包括以下步驟：

(1)利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法在襯底上依次生長緩沖層、過渡層、重摻雜n型氮化物歐姆電極接觸層、非均勻p型摻雜有源層，p型摻雜氮化物層，重摻雜p型歐姆電極接觸層結構。

(2)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作器件n型歐姆接觸面。

(3)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作有源層邊緣的電場分布限制臺階。

(4)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作p型氮化物摻雜層邊緣的電場分布限制臺階。

(5)三次刻蝕后，進行表面處理，修復刻蝕的晶格損傷；熱退火，對p型氮化物摻雜層的受主進行活化，同時修復刻蝕引入的晶格損傷。

(7)采用光刻圖形刻出n型歐姆接觸區(qū)域，利用電子束蒸發(fā)或濺射方法蒸鍍n型金屬，利用快速退火在氮氣環(huán)境中合金形成n型歐姆接觸。

(8)采用光刻圖形刻出p型歐姆接觸區(qū)域，利用電子蒸發(fā)方法或濺射方法蒸鍍p型金屬，利用快速退火合金形成p型歐姆接觸。

本技術發(fā)明針對III族氮化物雪崩光電二極管器件結構中制約器件性能的關鍵點進行了改進，具有結構和制作工藝簡單的優(yōu)點。從工作原理上看，雪崩光電二極管的內部高光電增益是由高電場作用下的載流子(電子和空穴)碰撞晶格原子發(fā)生電離產生的。因此，雪崩光電探測器是電場作用器件，而利用較小的工作偏壓產生較高的電場強度是器件設計與制作中關鍵的一環(huán)。另一方面，對于雪崩光電二極管在制作過程中需要通過刻蝕工藝分離晶圓上各個器件的有源區(qū)；對于III族氮化物半導體光電二極管探測器，則通常需要通過刻蝕工藝露出外延結構下層的歐姆接觸層、分離晶圓上各個器件的有源區(qū)，形成垂直結構。由刻蝕形成的邊緣在器件結構和表面電荷的作用下，其電場強度要顯著高于器件中央部位(體區(qū)部分)的電場強度，程度嚴重的情況下會導致邊緣提前擊穿，程度較輕的情況下也會導致高邊緣漏電流、雪崩增益分布不均。本技術發(fā)明即是針對這一矛盾，一方面，通過在有源層進行非均勻的輕摻雜，利用離化電荷增強有源區(qū)的電場強度，同時通過載流子濃度的線性變化(或高斯函數(shù)變化)改善有源層內的場強分布。另一方面，在本發(fā)明的器件結構中，對有源層進行了p型輕摻雜，使其與上層的導電類型相同，界面電場相對較弱；而強電場區(qū)則下移至p型有源層與重摻雜n型歐姆接觸層的界面處。針對這兩個界面邊緣的電場，通過在較弱電場界面邊緣、較強電場界面邊緣分別制作一次、二次垂直臺階結構，對器件內部的水平方向電場分布進行調整，將器件內部電場集中限制在p型氮化物摻雜層的正下方(即器件正中部區(qū)域)，而中部區(qū)域延伸至外圍臺階區(qū)域的電場強度則迅速衰減，從而對器件的強弱電場區(qū)邊緣實施了雙重防擊穿保護，抑制了邊緣漏電通道，能有效抑制了器件在邊緣結的提前擊穿，提高器件表面耐高壓性能。

綜上，本發(fā)明提出的III族氮化物半導體雪崩光電探測器的主要特點和有益效果是：(1)在本征有源層(兼具光吸收層和倍增層的作用)采用非均勻輕摻雜，通過載流子(空穴)濃度分布的線性或高斯函數(shù)變化，增強有源層內電場強度，從而可在較低工作偏壓下實現(xiàn)較高的光電增益；(2)采用p型有源層將強電場區(qū)下置到有源層與n型歐姆接觸層的界面處，通過在器件邊緣刻蝕形成的兩個臺階結構，將高電場區(qū)域限制在器件的中央部分，對器件的弱電場區(qū)(p型氮化物摻雜層與非均勻p型輕摻雜有源層界面處)和強電場區(qū)(非均勻p型輕摻雜有源層與重摻雜n型歐姆接觸層界面處)的邊緣電場分別實施了抑制保護，從而可有效防止邊緣擊穿、減少表面漏電流。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種III族氮化物雪崩光電探測器的結構示意圖。

圖2為實施例中的III族氮化物雪崩光電探測器的結構示意圖

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。

本實施例如圖2，圖中給出了一種III族氮化物AlGaN基雪崩光電探測器，器件采用由襯底側入射光信號的方式，包括：藍寶石襯底201及依次生長在襯底至上的的低溫AlN緩沖層202、高溫AlN過渡層203、重摻雜n型Al_0.55Ga_0.45N歐姆接觸層204，非均勻摻雜p型Al_0.4Ga_0.6N有源層205，p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N層206，重摻雜p型Al_0.4Ga_0.6N歐姆電極接觸層207，通過刻蝕形成的有源層205邊緣的臺階208，通過刻蝕形成的p型摻雜層206邊緣的臺階209，以及制作于n型Al_0.4Ga_0.6N層204上的歐姆接觸電極210，制作p型Al_0.4Ga_0.6N層207上的歐姆接觸電極211。

器件結構上，自襯底、緩沖層和過渡層而上，優(yōu)選地，所述的重摻雜n型歐姆接觸層204的厚度為0.3-3μm，所述的n型摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3-1×10¹⁹cm^-3；優(yōu)選地，所述的非均勻p型摻雜有源層205，厚度為0.1-0.3μm，層中空穴濃度自上而下由1×10¹⁷cm^-3線性減少到5×10¹⁵cm^-3；優(yōu)選地，所述的p型摻雜氮化物層206，厚度為30-300nm，層中空穴濃度為3×10¹⁷cm^-3-5×10¹⁸cm^-3；優(yōu)選地，所述的重摻雜p型歐姆接觸層207，厚度為5-12nm，層中摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3；優(yōu)選地，在有源層205邊緣通過刻蝕形成臺階208，臺階寬度為2～6μm，臺階深至有源層205與n型歐姆接觸層204的界面上方2-6nm處；優(yōu)選地，在p型摻雜氮化物層206邊緣通過刻蝕形成臺階209，臺階寬度為2-6nm，臺階深至p型摻雜氮化物層206與有源層205的界面上方2-6nm處；優(yōu)選地，在重摻雜n型歐姆接觸層上刻蝕形成的歐姆電極接觸面，其深度至有源層205與n型歐姆接觸層204的界面下方0.1-1.5μm處。

本發(fā)明的一種III族氮化物基雪崩光電探測器制備方法的具體制備流程如下：

(1)材料生長利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法在藍寶石、SiC、GaN或者AlN襯底201上依次生長低溫AlN緩沖層202，高溫AlN過渡層203，重摻雜n型Al_0.4Ga_0.6N歐姆接觸層204，非均勻p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N有源層205，p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N層206，重摻雜p型Al_0.4Ga_0.6N歐姆電極接觸層207。

(2)采用光刻技術制作掩模層，利用干法或者濕法刻蝕方法依次制作器件n型Al_0.4Ga_0.6N歐姆接觸面。

(3)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作非均勻p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N有源層205邊緣的電場分布限制臺階208。

(4)采用光刻技術制作掩膜層，利用干法或濕法刻蝕方法制作p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N層206邊緣的電場分布限制臺階209。

(5)三次刻蝕后，進行表面處理，修復刻蝕的晶格損傷；器件熱退火，對p型摻雜Al_0.4Ga_0.6N層中的受主進行活化，同時修復刻蝕引入的晶格損傷。

(6)采用光刻圖形刻出n型歐姆接觸區(qū)域，利用電子束蒸發(fā)方法蒸鍍n型金屬Ti/Al/Ni/Au，在純氮氣環(huán)境中合金形成n型歐姆接觸210。

(7)采用光刻圖形刻出p型歐姆接觸區(qū)域，利用電子束蒸發(fā)方法蒸鍍p型金屬Ni/Au，在清潔干燥空氣(clean dry air，CDA)環(huán)境中合金形成p型歐姆接觸211。