異質(zhì)結(jié)倍增層增強(qiáng)型AlGaN日盲雪崩光電二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種AlGaN日盲紫外雪崩光電探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]III族氮化物是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有良好的導(dǎo)熱性能，高電子飽和速度，物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是近年來國內(nèi)外重點(diǎn)研究的新型半導(dǎo)體材料，在高電子迀移率晶體管、高亮度發(fā)光二極管、高功率激光器及高靈敏度日盲或可見光盲光電探測器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在電磁波譜中，波長在200nm?400nm范圍內(nèi)的福射稱為紫外福射，太陽光是最強(qiáng)的紫外輻射光源，但由于大氣中臭氧層和其它大氣氣體的吸收和散射作用，紫外光特別是波長小于280nm的日盲紫外光會(huì)絕大部分被大氣所吸收，因此，紫外信號(hào)特別是日盲紫外信號(hào)具有背景干擾小、目標(biāo)信號(hào)容易檢測、不容易產(chǎn)生虛假警報(bào)等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。一直以來，由于光電倍增管(PMT)具有高的電流增益(>106)、低的暗電流，能夠在強(qiáng)的太陽背景下探測到微弱的紫外信號(hào)，因此光電倍增管一直占據(jù)著探測器的主要市場，然而，光電倍增管也有著體積大、容易損壞、需要很高的擊穿電壓O1200V)、價(jià)格昂貴的缺陷，并且在紫外探測波段和硅基探測器一樣，需要集成復(fù)雜昂貴的濾波系統(tǒng)。具有高增益的AlGaN雪崩光電探測器(APD)為固體探測器，體積小、功耗低、并且能夠得到日盲紫外探測性能，能夠彌補(bǔ)光電倍增管和硅基探測器的缺點(diǎn)，具有部分取代光電倍增管的潛力。但是，由于高A1組分AlGaN材料制備和p型摻雜尚未得到很好的解決，要想獲得高增益的AlGaN雪崩光電探測器目前仍是一大難題。近年來，GaN基可見光盲雪崩探測器得到了長足的發(fā)展，工作于線性模式倍增因子高于103的GaN AH)以及工作于蓋革模式倍增因子高于106的GaN APD都已成功獲得[參見文獻(xiàn)J.B.Limb, D.Yoo, J.H.Ryou, ff.Lee, S.C.Shen, R.D.Dupuis, M.L.Reed, C.J.Collins, M.ffraback, D.Hanser, E.Preble, N.M.Williams, and K.Evans, Appl.Phys.Lett., 89, 011112 (2006).與文獻(xiàn) K.A.McIntosh, R.J.Molnar, L.J.Mahoney, Κ.M.Molvar, N.Efremow, and Jr., S.Verghese, Appl.Phys.Lett.，76，3938 (2000).]。AlGaN與GaN有著相似的材料特性，盡管GaN APD的發(fā)展取得了可喜的進(jìn)步，然而，AlGaN材料的APD卻發(fā)展緩慢，2007年，Turgut等人再次報(bào)道了在藍(lán)寶石襯底上生長的A1組份為0.4的AlGaN肖特基結(jié)構(gòu)的APD，其光電倍增因子為1560倍[參見文獻(xiàn) T.Tut, M.Gokkavas, A.1nal, and E.0zbay, Appl.Phys.Lett., 90, 163506 (2007).]。2012年，汪萊等公開了一種吸收倍增區(qū)分離(SAM)的GaN基p-1-p-1-n結(jié)構(gòu)紫外探測器結(jié)構(gòu)及其制備方法[參見專利，GaN基p-1-p-1-n結(jié)構(gòu)紫外探測器及制備方法，申請?zhí)?201110391564.9]，倍增區(qū)和吸收區(qū)分離的特點(diǎn)使載流子雪崩倍增距離提高，從而使靈敏度大大增加。2013年，陳敦軍等公開了一種內(nèi)建電場增強(qiáng)的背入射p-1l-nl-1-n SAM型高增益AlGaN紫外雪崩光電探測器及其制備方法[參見專利，高增益的AlGaN紫外雪崩光電探測器及其制備方法，申請?zhí)?201310367175.1]。背入射p-1l-nl+n SAM型高增益AlGaN紫外雪崩光電探測器是在傳統(tǒng)的相同組分的p-1-n型結(jié)構(gòu)中插入一個(gè)分離層nl和一個(gè)倍增層il的基礎(chǔ)上，同時(shí)降低P型層中A1的組分，從而達(dá)到提高器件性能的目的。分離層nl將吸收層和倍增層分開，當(dāng)光從背部入射時(shí)，入射光子在吸收層被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，在反偏電壓和內(nèi)建電場作用下，空穴被加速通過nl型層，進(jìn)入倍增層，而吸收層產(chǎn)生的絕大部分電子在電場作用下向η層漂移，并不進(jìn)入nl型層，雖然仍然有少量電子擴(kuò)散至nl型層，但由于nl層的電場比吸收層的電場還要大，擴(kuò)散至nl層的電子在電場作用下，減速運(yùn)動(dòng)，在沒到達(dá)倍增層以前，電子速度已經(jīng)減小為零，這樣就實(shí)現(xiàn)了純空穴注入。在反向大偏壓作用下，注入的空穴受到倍增層強(qiáng)電場的漂移作用，產(chǎn)生很大的動(dòng)能，它們與倍增層的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，把價(jià)鍵上的電子碰撞出來，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對。由空穴碰撞產(chǎn)生的電子和空穴在強(qiáng)電場作用下，向相反方向運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)發(fā)生碰撞，如此一直碰撞下去，自由載流子數(shù)量急劇增加，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)。電子和空穴的離化系數(shù)與倍增層電場存在一定的對應(yīng)關(guān)系:a =Aexp(-b/E)，A、b為常數(shù)，當(dāng)倍增層電場Ε增加時(shí)，載流子離化系數(shù)α增大，離化系數(shù)增大意味著單位時(shí)間單位長度內(nèi)，載流子碰撞產(chǎn)生的電子空穴對增多，倍增因子增大，對于同質(zhì)結(jié)分離吸收倍增的AlGaN APD來說，倍增區(qū)的總電場由內(nèi)建電場和外加偏壓場提供，發(fā)生雪崩時(shí)電場一般小于3MV/cm。以上眾多研究表明，高性能的AlGaN雪崩光電探測器的研究與開發(fā)利用已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)，在上述研究的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種新的高雪崩倍增因子AlGaN APD探測器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是利用低A1組分的i型AlzGai #倍增層作為空穴的主要離化區(qū)，高A1組分的i型AlyGai yN倍增層作為空穴初始加速區(qū)，設(shè)計(jì)了一種倍增層為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型AlGaN日盲雪崩光電二極管及其制備方法。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種異質(zhì)結(jié)倍增層增強(qiáng)型AlGaN日盲雪崩光電二極管，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為:A1N模板層、AlxGa:…緩沖層、η型AlxGa: XN層、i型AlyGai yN吸收層、η型AlyG&1 yN分離層、i型AlyG&1 yN倍增層、i型A1ZG&1 ZN倍增層、p型GaN層，在η型AlyGai XN層上引出η型歐姆電極，在ρ型GaN層上引出p型歐姆電極，所述 X、y、z 滿足 0.2<z<y<x，且 y 彡 z+0.2。
[0005]進(jìn)一步的，所述AlxGai XN緩沖層厚度為300?600nm，所述η型AlxGai XN層厚度為300?600nm，所述i型AlyGa: yN吸收層厚度為150?220nm，所述η型AlyGa: yN分離層厚度為60?80nm，所述i型AlyG&1 yN倍增層厚度為100?150nm，所述i型A1ZG&1 ZN倍增層厚度為50?lOOnm，所述ρ型AlzGai ZN層厚度為80?120nm，所述ρ型GaN層厚度為30?80nmo
[0006]進(jìn)一步的，所述A1N模板層為藍(lán)寶石襯底上生長的A1N層，厚度為500nm。
[0007]進(jìn)一步的，所述η型歐姆電極為Ti/Al/Ni/Au合金電極，ρ型歐姆電極為Ni/Au合金電極。
[0008]本發(fā)明還提供了上述異質(zhì)結(jié)倍增層增強(qiáng)型AlGaN日盲雪崩光電二極管的制備方法，其步驟包括:
[0009](1)將A1N模板在NH3氣氛下表面氮化；
[0010](2)在A1N模板襯底上生長一層AlxGai XN緩沖層；
[0011](3)在AlxGai XN緩沖層上生長一層η型AlxGai XN層；
[0012](4)在η型AlxGai XN層上生長一層i型AlyG&1 yN吸收層；
[0013](5)在i型AlyG&1 yN吸收層上生長一層η型AlyG&1 yN分離層；
[0014](6)在η型AlyG&1 yN分離層上生長一層i型AlyG&1 yN倍增層；
[0015](7)在i型AlyG&1 yN倍增層上生長一層i型AlzGai ZN倍增層；
[0016](8)在i型A1ZG&1 ZN層倍增層上生長一層P型A1ZG&1 ZN層，在P型A1ZG&1 ZN層上生長一層GaN層；
[0017](9)在ρ型GaN層上進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，露出η型AlxGai XN層，對刻蝕后的樣品表面進(jìn)行凈化處理；
[0018](10)在η型AlxGalxN層臺(tái)面上蒸鍍?chǔ)切蜌W姆電極，蒸鍍后退火；
[0019](11)在ρ型GaN層上蒸鍍?chǔ)研蜌W姆電極，蒸鍍后退火；
[0020]其中X、y、z 滿足 0.2<z<y<x，且 y 彡 z+0.2。
[0021]本發(fā)明設(shè)計(jì)的倍增層增強(qiáng)型SAM結(jié)構(gòu)AlGaN紫外雪崩光電探測器，通過將低A1組分的i型AlzGai #倍增層作為空穴的主要離化區(qū)、高A1組分的i型AlyGai yN倍增層作為空穴初始加速區(qū)，在i型AlGaN倍增層內(nèi)引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)使得空穴初始加速過程主要發(fā)生在高A1組分的i型AlyG&1 yN層，而空穴的碰撞離化主要發(fā)生在具有更高離化率的低A1組分的i型AlzGai #層，有利于空穴的倍增；且離化區(qū)的A1組分小于加速區(qū)的A1組分(y彡z+0.2)，使得異質(zhì)界面處導(dǎo)帶形成足夠高的勢皇，阻礙了電子從空穴離化區(qū)向空穴加速區(qū)的運(yùn)動(dòng)，降低了電子的碰撞離化，從而可以有效降低器件噪聲；此外，低A1組分的空穴離化區(qū)，有利于得到更高晶體質(zhì)量的AlGaN材料，也有利于獲得更高的雪崩增益。