[發明專利]一種AlGaN紫外雪崩光電二極管探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910174876.0
• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN110047955B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 江灝;顏歡;邱新嘉
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/0352;H01L31/107;H01L31/18
• 代理公司: 廣州潤禾知識產權代理事務所(普通合伙) 44446
• 代理人: 林偉斌;張柳

本發明提供了一種AlGaN紫外雪崩光電二極管探測器，包括襯底，在襯底上生長的外延結構；所述外延結構包括i型Al_mGa_1?mN/Al_nGa_1?nN超晶格倍增層；所述i型Al_mGa_1?mN/Al_nGa_1?nN超晶格倍增層呈梯度阱厚結構，由較低Al組分的Al_mGa_1?mN阱層和較高Al組分的Al_nGa_1?nN壘層循環交替構成，Al_nGa_1?nN壘層厚度保持不變，Al_mGa_1?mN阱層厚度由襯底側至上逐漸增加。其有益效果在于：本發明提供的光電二極管探測器不僅可以獲得更高的增益，而且有利于抑制過剩噪聲，降低雪崩工作電壓，增強器件工作時的可靠性；同時，本發明也提供了所述光電二極管探測器的制備方法，其制備方法簡單可行。

技術領域

本發明涉及Ⅲ族氮化物半導體紫外光電探測器的技術領域，更具體地，涉及一種AlGaN紫外雪崩光電二極管探測器及其制備方法。

背景技術

地球上的紫外光波長分布在10-400nm，太陽是最重要的自然紫外線輻射源，其中波長200-280nm的紫外輻射由于被地球平流層中的臭氧強烈吸收，難以透過大氣層到達地面，被定義為日盲區。由于大氣層的吸收作用，紫外探測尤其是日盲探測具有低背景噪聲的天然優勢。但與此同時，紫外探測也具有信號微弱的缺點。一直以來，主流紫外探測器多采用紫外光電倍增管(Ultraviolet Photomultiplier Tubes，UV-PMT)或硅基固態探測器。PMT利用二次電子發射效應將微弱光信號轉換成放大的電信號，通常倍增增益高達106，具有非常高的靈敏度。然而，PMT內部結構十分復雜，相對半導體器件而言體積龐大，易碎，工作電壓甚至高達1000V；硅基固體探測器結構簡單，造價低廉。然而，無論是PMT還是硅基固體探測器，用于紫外探測時都需要外置紫外帶通濾波片以排除背景可見光的影響。這不僅提高了制造成本，而且降低了探測效率。

第三代寬禁帶半導體材料制備技術的發展給紫外光電探測技術帶來了新的機遇。III族氮化物半導體材料(包括氮化銦InN、氮化鎵GaN、氮化鋁AlN，以及它們相互組成的三元或者四元化合物)，具有直接帶隙、禁帶寬度大、電子漂移速度高、介電常數低、耐高溫、耐腐蝕、抗輻射、導熱性好等優勢，尤其適用于抗輻射、高頻率、大功率和集成密度高的電子、光電子器件的制作。多元III族氮化物半導體材料的禁帶寬度是可調的，其中，三元化合物AlGaN通過調節Al組分與Ga組分的比例可使其對應的吸收波長范圍從200到365nm變化，從而完全覆蓋日盲區和可見光盲區的波段，是制備紫外探測器件的首選材料。

由于紫外信號通常比較微弱，為了實現微弱信號的探測，需要使用具有內部增益效應的探測器。雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)以其高增益、低噪聲的優點成為固態紫外光電探測領域的典型代表。當加在PN結上的反向電壓逐漸增加時，空間電荷區的電場強度也隨之增強，載流子從電場獲得的能量也逐漸增大。當載流子獲得的能量足夠在與晶格原子的碰撞過程中使價帶的電子激發到導帶，形成新電子空穴對，就產生了“碰撞電離”。原來的電子和空穴與新產生的電子和空穴在電場的作用下，在相反的方向上重新獲得能量，繼續發生碰撞電離產生更多電子空穴對，其宏觀表現如同PMT一樣產生雪崩式倍增，最終電極收集到的載流子遠遠多于光激發產生的載流子，實現了內部增益。