[發明專利]一種紫外雪崩光電二極管探測器及其制作方法

有效

• 申請號: 201010506422.8
• 申請日: 2010-10-13
• 公開（公告）號: CN102074609A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 汪萊;郝智彪;熊兵;孫長征;羅毅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0336;H01L31/18
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明屬于探測器技術領域，具體涉及一種紫外雪崩光電二極管探測器及其制作方法。

背景技術

紫外探測在民用和軍事領域具有廣泛的應用，包括化學和生物分析、火焰探測，光通信、紫外光源的校準以及天文學研究。在上述應用中，需要解決的一個關鍵技術問題是對微弱紫外光信號甚至單光子的檢測。這是由于空氣對紫外光的吸收很強烈，紫外光在大氣中衰減很快，到達探測端的強度很低。對于微弱紫外光信號，通常采用具有增益的光電倍增管PMT或者半導體雪崩光電二極管APD來進行檢測。光電倍增管PMT盡管具有高增益和低噪聲，但是其體積大且玻璃外殼易碎，同時還需要很高的電源功率。而基于半導體材料的半導體雪崩光電二極管APD體積小、重量輕，并且對磁場不敏感，具有成本低，線性度好、靈敏度高、便于制作陣列的優勢和高速工作的能力，是實現紫外探測的理想途徑。

目前，最常用的紫外光電探測器是基于Si材料的光電二極管，Si材料是晶體質量最高的材料，也是目前最適合制作半導體雪崩光電二極管APD的材料。這是因為Si中的電子和空穴碰撞電離產生電子空穴對的能力差別最大，可以通過設計器件只讓電子這一種載流子發生雪崩。但是，Si和其他窄禁帶半導體探測器一樣面臨如下的一些固有的局限性：首先，對于Si或GaAs等這些窄禁帶半導體而言，紫外光的能量遠高于其帶隙，它們在紫外光的照射下很容易老化。此外，通常是SiO₂鈍化層，會減少深紫外線范圍的量子效率，同時也面臨紫外線照射退化的問題。這些器件的另一個限制是其同時對低能量的光子也具有響應，因此必須使用昂貴和復雜的濾波器來阻擋可見光和紅外線光子，導致有效面積有顯著損失。

基于AlGaN、SiC等寬禁帶半導體材料的紫外光電探測器可以克服上述的諸多缺點。對光電二極管而言，寬的禁帶寬度本身就是一個很大的優勢，它使得探測器可以室溫工作，同時對可見光不響應。另外，寬禁帶半導體擊穿場強高、物理和化學性質穩定，十分適合在高溫和大功率條件下工作。寬禁帶半導體材料抗紫外輻照能力強，一般也不需要鈍化處理，因此可以提高在紫外波段的響應度和穩定性。在諸多寬禁帶半導體材料中，AlGaN材料因為屬于直接帶隙半導體，且禁帶寬度隨組分可調而格外受到關注。但是，AlGaN基紫外探測器要想表現出上述的這些優勢還面臨不小的困難。首先，最主要的不足是晶體質量較差。由于缺乏合適的襯底，GaN材料主要是在藍寶石上異質外延獲得，位錯密度高達10⁸～10¹⁰cm^-2。這些材料缺陷會對器件性能造成損害，包括導致對可見光的響應、漏電流增加、以及表現出持續光電導現象。其次，AlGaN材料中電子和空穴發生碰撞電離的能力差別不大，這種性質并不適合于制作APD。

綜上所述，Si材料適合制作半導體雪崩光電二極管APD但是不適合用于紫外探測，而AlGaN基半導體材料適合用于紫外探測但不適合制作半導體雪崩光電二極管APD。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種紫外雪崩光電二極管探測器，將Si材料和AlGaN材料結合起來，可以實現既適用于紫外探測又具有良好器件性能的半導體雪崩光電二極管APD，采用p型Al_xGa_1-xN層作為紫外光的吸收層，采用i-Si作為雪崩區，讓p型Al_xGa_1-xN層中的光生電子在i-Si中發生雪崩，從而實現微弱紫外光的檢測。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種紫外雪崩光電二極管探測器，包括藍寶石襯底1，藍寶石襯底1的側面附著AlN緩沖層2，AlN緩沖層2的外側附著p型Al_xGa_1-xN層4，x的范圍為0～0.6，藍寶石襯底1的底部為傾斜斜面，在p型Al_xGa_1-xN層4靠近底部的一側面附著i-Si雪崩區層5，在i-Si雪崩區層5的外側面附著n-Si層6，n-Si層6外側面附著n型歐姆電極7，而p型Al_xGa_1-xN層4的靠近底部的另一側面附著p型歐姆電極3，i-Si雪崩區層5的高度和p型歐姆電極3的高度一致，其中藍寶石襯底1厚度為100～600μm，AlN緩沖層2厚度為20～1000nm，p型Al_xGa_1-xN層4厚度為50～500nm，i-Si雪崩區層5厚度為0.1～100μm，n-Si層6厚度為100～600μm。