[發明專利]一種PIN倒置結構紫外雪崩光電探測器及其制備方法

無效

• 申請號: 201110186476.5
• 申請日: 2011-07-05
• 公開（公告）號: CN102244135A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 江灝;李劍飛
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/105;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 禹小明

技術領域

本發明涉及一種紫外探測器，尤其涉及一種PIN倒置結構紫外雪崩光電探測器及其制備方法。

背景技術

紫外光電探測器主要應用在軍事和民用上的火焰探測，羽煙探測，環境監控，太空光通信，量子通信等領域。

GaN屬于第三代半導體材料，是新型的電子器件、光電子器件材料，是典型的寬禁帶半導體材料。GaN材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高，介電常數小，耐高溫，耐腐蝕，抗輻射，導熱性能好等特性，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的光電子器件，成為目前第三代半導體的研究熱點。

在紫外探測領域，相比起傳統的真空培增管和硅探測器，GaN紫外雪崩光電探測器有著重要的應用，其優勢表現在：（1）直接帶隙，量子效率高；（2）背景噪聲低，尤其可以利用200nm-280nm的日盲探測窗口；（3）本征探測，無需昂貴的長波長濾波器，成本低；（4）體積小，重量輕，壽命長，抗震性好；（5）耐高溫，耐腐蝕，抗輻照，適用于惡劣環境；（6）工作電壓低，不需要高壓電源（小于200V）。

紫外探測領域的應用尤其是在微弱光信號的探測上，例如單光子探測，要求探測器具備高響應，高增益的性能。因此器件需要采用雪崩結構，光注入產生的電子空穴對在雪崩電場下加速，在獲得足夠的動能后，通過碰撞電離產生更多的電子空穴對，實現雪崩增益，使微弱信號得到培增。

雪崩增益取決于電子空穴的碰撞電離率之比，M.?Razeghi在其文章中指出，衡量雪崩光電二極管的一個重要參數是電離比率????????????????????????????????????????????????（是空穴的碰撞電離系數，?是電子的碰撞電離系數），單載流子雪崩光電二極管具有最優異的性能表現。因此，在設計外延結構時候，可以有意使得電離比率最接近零(電子觸發為主)，或最接近無窮大(空穴觸發為主)?。（參見文獻：[1]M.?Razeghi?and?A.?Rogalski，“Semiconductor?ultraviolet?detectors”,?J.?Appl.?Phys.79,?7433-7473，（1996），pp.?7447-7448。）

對于GaN材料，M.?Razeghi和R.?McClintock等人的研究表明雪崩增益在空穴觸發為主時候的要比電子觸發為主時要大，碰撞電離是以空穴觸發為主，當光子在n型層注入時候，將會獲得最大的增益路徑。因此，為了更好發揮GaN材料的性能，在傳統的PIN結構（從襯底往上依次為n型層，i型層，p型層）上采用背入射結構是必要的。（參見文獻：[2]?M.?Razeghi,?R.McClintock,“?A?review?of?III-nitride?research?at?the?Center?for?Quantum?Devices?”,?J.?Cryst.?Growth,311,?3067?(2009)；[3]?R.?McClintock,?J.?L.?Pau,?K.?Minder,?C.?Bayram,?P.?Kung,?and?M.?Razeghi，“Hole-initiated?multiplication?in?back-illuminated?GaN?avalanche?photodiodes”,?Appl.?Phys.?Lett.90,?141112?(2007)。）

在傳統的PIN結構上，其不足之處表現在：

（1）為獲得良好性能，采用背入射時候，需要進行襯底減薄，雙面拋光，工藝過程復雜；

（2）利用探針臺對器件性能測試時，當光信號采用背入射方式，不易測試。

（3）傳統結構中，光信號通過背入射方式由襯底、緩沖層進入到p型層時候會被吸收、散射，降低探測器的外量子效率；而如果緩沖層采用AlGaN緩沖層，則會由于AlGaN緩沖層與襯底材料間的晶格與熱失配相較于GaN緩沖層更大，導致AlGaN緩沖層及其上生長的有源層中產生高密度缺陷而劣化器件關鍵性能，如暗電流、量子效率等。

發明內容

本發明的目的在于克服現有器件結構的不足，提出一種有效改進器件結構缺陷、優化pin結構的性能、提高器件關機性能的PIN倒置結構的紫外雪崩光電探測器及其制備方法。