[發(fā)明專利]一種背照式級(jí)聯(lián)倍增雪崩光電二極管

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710805961.3
• 申請(qǐng)日: 2017-09-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107403848B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李倩;李沫;陳飛良;康健彬;王旺平;黃鋒;張暉;張健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): H01L31/0232
• 分類號(hào): H01L31/0232;H01L31/0352;H01L31/107
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發(fā)明公開(kāi)了一種背照式級(jí)聯(lián)倍增雪崩光電二極管，在襯底上自下向上依次為緩沖層、n型摻雜Alsubgt;x/subgt;Gasubgt;1?x/subgt;N層、i型周期級(jí)聯(lián)倍增層、i型本征吸收層及p型電極層，在i型本征吸收層臺(tái)面周?chē)枪怦詈蠀R聚結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)光耦合匯聚結(jié)構(gòu)有效解決了周期級(jí)聯(lián)倍增結(jié)構(gòu)在背入射下有效吸收率低的問(wèn)題，同時(shí)減小了器件臺(tái)面尺寸，降低了體漏電流。本發(fā)明給出了周期級(jí)聯(lián)倍增雪崩光電二極管在背照射下有效工作的解決方案，適于大規(guī)模陣列集成，且適用于紫外、可見(jiàn)、近紅外的各個(gè)波段，可廣泛應(yīng)用于微弱光探測(cè)成像乃至單光子探測(cè)成像領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電探測(cè)、單光子探測(cè)領(lǐng)域，具體是指一種背照式級(jí)聯(lián)倍增雪崩光電二極管。

背景技術(shù)

高靈敏度、低噪聲的微弱光探測(cè)在保密通信、預(yù)警與制導(dǎo)、火災(zāi)預(yù)警、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物檢測(cè)、深空探測(cè)等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，是光電探測(cè)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。常見(jiàn)的微弱光探測(cè)高靈敏度紫外-可見(jiàn)光-近紅外探測(cè)器主要有光電倍增管（PMT）和半導(dǎo)體雪崩探測(cè)器（APD）。與PMT相比，APD的量子效率高，工作電壓低，可靠性高，且易于制作大規(guī)模高分辨率的探測(cè)器陣列。目前發(fā)展最成熟的Si基雪崩探測(cè)器雖然在可見(jiàn)波段性能較好，但受限于Si材料自身的特性（如，帶隙遠(yuǎn)低于紫外的能量、紫外光子響應(yīng)度低、須使用濾波片阻擋可見(jiàn)光和紅外線、紫外光照下易老化），限制了其微弱光紫外探測(cè)的性能。因此，研究人員開(kāi)始研究基于GaN、SiC等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的APD來(lái)克服上述諸多缺點(diǎn)。其中，氮化物APD具備可室溫工作且暗電流很低、同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光不響應(yīng)、穿場(chǎng)強(qiáng)高、物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗紫外-可見(jiàn)輻照能力強(qiáng)、在紫外-可見(jiàn)波段工作的穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，是極具發(fā)展前途的“單光子”級(jí)別微弱光探測(cè)器之一。對(duì)于近紅外波段，常采用InGaAs探測(cè)器，但暗噪聲較大需要在制冷條件下工作。同時(shí)上面所述的APD對(duì)于微弱光探測(cè)均需工作于蓋革模式，需要復(fù)雜的淬滅電路。

公開(kāi)日為2016年7月6日，公開(kāi)號(hào)為CN105742387A的中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)，公開(kāi)了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，提出了超晶格倍增區(qū)，具有高增益線性倍增的優(yōu)點(diǎn)，在線性模式下即可探測(cè)微弱光，不需要工作于蓋革模式。然而，不同于傳統(tǒng)pin-APD在正/背照式下均可實(shí)現(xiàn)電子/空穴注入完成雙極離化，周期性級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)APD在正入射電子注入下，能完成電子的有效倍增。但在背照式空穴注入下，由于倍增區(qū)能帶結(jié)構(gòu)所致，空穴電子離化系數(shù)之比k僅為0.05，空穴基本無(wú)法在級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)碰撞離化產(chǎn)生倍增效應(yīng)。同時(shí)背入射光在經(jīng)過(guò)倍增區(qū)將被吸收，也無(wú)法到達(dá)吸收層形成有效倍增。基于以上兩點(diǎn)，證明了現(xiàn)有的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)不適于背照式。需引入光耦合結(jié)構(gòu)調(diào)控入射光的傳播方向使其從垂直傳播轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向面內(nèi)傳播，這樣就可以將臺(tái)面以外大面積區(qū)域的光不經(jīng)倍增區(qū)直接匯聚到吸收層。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出一種背照式級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)雪崩光電二極管，將周期性級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)倍增區(qū)引入到易于集成的背照式APD結(jié)構(gòu)中，使APD器件可以像PMT一樣實(shí)現(xiàn)線性模式高增益；同時(shí)，采用光柵耦合結(jié)構(gòu)使背照式光有效到達(dá)主吸收區(qū)，解決背照式下有效光吸收低的問(wèn)題。從而使其對(duì)光子的吸收和電子的單極倍增能力都得到大幅度的提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種背照式級(jí)聯(lián)倍增雪崩光電二極管，其特征在于：在襯底上設(shè)置有緩沖層，緩沖層上設(shè)置有n型摻雜Al_xGa_1-xN層，n型摻雜Al_xGa_1-xN層上面設(shè)置有一突起臺(tái)面，所述突起臺(tái)面上自下而上依次設(shè)置有i型周期級(jí)聯(lián)倍增層、i型本征吸收層及p型電極層；所述突起臺(tái)面的周?chē)O(shè)置有光耦合匯聚結(jié)構(gòu)；所述n型摻雜Al_xGa_1-xN層的下沉臺(tái)面上沉積有n型歐姆接觸層，p型電極層上沉積p型歐姆接觸層；通過(guò)調(diào)節(jié)n型摻雜Al_xGa_1-xN層中Al組分的x，使得n型摻雜Al_xGa_1-xN層對(duì)光電二極管中i型本征吸收層對(duì)應(yīng)的探測(cè)波段吸收率小于20%。