[發明專利]一種基于異質結構的吸收、倍增層分離的紫外雪崩光電探測器

無效

• 申請號: 201210040786.0
• 申請日: 2012-02-22
• 公開（公告）號: CN102593234A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 黃澤強;江灝
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0352;H01L31/076
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

技術領域

本發明涉及一種紫外探測器，尤其涉及一種基于異質結構的吸收、倍增層分離的紫外雪崩光電探測器。

背景技術

化合物半導體氮化鎵（GaN）屬于第三代半導體材料，具有直接帶隙，禁帶寬度大（3.43eV），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，是制作高量子效率、高密度集成及耐惡劣環境的短波長光電子器件和大功率、高頻電子器件的理想材料。

紫外探測技術在軍事、民用及科學研究上都有廣泛的應用，如導彈羽煙探測，火焰探測，環境監控，太空通信等。在紫外探測系統中，探測器是核心的部分。目前，在已投入商業和軍事應用的紫外探測器中，以紫外光電倍增管和硅基紫外光電二極管的應用最為廣泛。其中，光電倍增管（PMT）具有優異的靈敏度，但其工作電壓一般高于1000V以上，而且體積大、效率低、易損壞；而硅基紫外光電管作為固體探測器的代表，盡管可以避開PMT上述的一系列缺點，但跟PMT一樣，由于對可見光響應，在紫外探測應用時需要附帶昂貴的濾光片，因此增加了實際應用的成本。相對以上兩者而言，GaN基紫外雪崩光電探測器具有體積小，工作電壓低，耐高溫，量子效率高、無需濾光片等優點，這使得其成為紫外探測領域內研究和開發的熱點。在不久的將來，GaN基紫外雪崩光電探測器有望可以替代紫外光電倍增管和硅基紫外光電管在紫外探測領域的應用。

低噪聲、高增益是高性能紫外雪崩光電探測器的兩個關鍵指標。雪崩光電探測器的噪聲和增益可以通過對載流子—電子、空穴碰撞電離率的有效比例的調控來實現，簡稱碰撞電離工程。研究發現，單載流子（電子或空穴）觸發的雪崩擊穿過程具有較低過剩噪聲因子；而采用碰撞電離系數大的載流子作為觸發載流子則可以獲得更高的增益。對于GaN材料，空穴碰撞電離系數大于電子碰撞電離系數，因此由空穴觸發的GaN雪崩光電探測器具有更高的雪崩增益。以PIN結構的雪崩光電探測器為例，如果光信號從n型層一側入射，對應波段的光會在n型層被吸收，激發出電子空穴對。在反偏電場的作用下，電子被收集到n型GaN層一側，空穴被運輸到有源層（i層），觸發雪崩擊穿，因此光信號從n型層一側入射可以實現空穴觸發的雪崩擊穿；反之，如果光信號從p型層一側入射，則可以實現電子觸發的雪崩擊穿。

對于傳統的PIN結構和吸收倍增分離（SAM）結構的GaN雪崩光電探測器，由于p型GaN摻雜元素Mg的記憶效應以及生長重摻雜的p型GaN會出現外延層表面劣化的現象，導致難以將結晶質量良好的n型GaN生長在p型GaN之上，因此需要采用背入射的方式來實現空穴觸發的雪崩增益。但由于實現背入射要求襯底透光，需要對襯底進行減薄，雙面拋光，因此增加了工藝的復雜程度。此外，背入射的紫外光信號到達吸收層（或有源層）前要通過襯底、緩沖層，在此過程中入射光會被吸收、散射，導致探測器的外量子效率降低。如果采用帶隙更寬的AlGaN材料作緩沖層，則會由于AlGaN外延層和襯底之間的晶格與熱失配較GaN外延層更為嚴重，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的關鍵性能，如暗電流、量子效率等。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供一種基于異質結構的吸收、倍增層分離的紫外雪崩光電探測器，其利用Al_xGa_1-xN層既作為倍增層，又充當窗口的作用，允許波長在GaN材料截止波長和Al_xGa_1-xN材料截止波長之間的紫外光信號透過。使得從正面（p型層一側）入射的上述波段的光信號在GaN吸收層里被吸收，激發出電子空穴對，在反偏電場的作用下，電子被收集到n型GaN層一側，空穴則被運輸到倍增層觸發雪崩擊穿，實現空穴觸發的雪崩增益。同時波長短于Al_xGa_1-xN材料截止波長的紫外信號會在Al_xGa_1-xN層上被吸收，此時Al_xGa_1-xN層既是吸收層又是倍增層，從而提高了器件在Al_xGa_1-xN對應波段的量子效率。最終實現低噪聲、高增益、高量子效率的紫外雪崩光電探測器。