AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器及其制備方法與流程

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技術領域

本發明涉及紫外線探測領域，具體涉及一種AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器及其制備方法。

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(臭氧，污染物以及大部分有機化合物的吸收線在紫外光譜范圍)，火焰探測(包括火災報警，導彈預警和制導，燃燒監測等)，光通信(特別是衛星間采用波長小于280nm的紫外光進行通信)，紫外光源的校準(儀器，紫外線光刻等)，以及天文學研究。在這些應用中往往需要探測極微弱的紫外線，需要高靈敏探測器來實現探測任務。

其中，最常用的紫外高靈敏光電探測器件是紫外光電倍增管(PMT)和基于半導體材料的雪崩探測器光電二極管，紫外PMT具有高增益、低噪聲和線性可控的優點，但是它是真空器件，體積大，玻璃外殼易碎，所以應用比較受限。半導體雪崩探測器體積小，易于集成，但是增益不高、噪聲大，并且往往無法穩定工作在線性可控模式下，應用也比較受限。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器及其制備方法，本發明提供的紫外探測器，不但具有體積小易于集成的優點，更為重要的是還具有線性可控、高增益和低噪聲的優點。

第一方面，本發明提供一種AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器，所述AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器包括：襯底，所述襯底上依次設有n型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和p型層；

所述n型層上設有n型歐姆電極，所述p型層上設有p型歐姆電極；

所述i型超晶格倍增層為AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

進一步地，所述n型層、i型光敏吸收層和p型層的材料均為Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

進一步地，所述n型層的厚度為1～10μm。

進一步地，所述i型超晶格倍增層的周期數為1～100，勢壘或勢阱的寬度為1～100nm。

進一步地，所述i型光敏吸收層的厚度為10～1000nm。

進一步地，所述p型層的厚度為10～1000nm。

第二方面，本發明還提供了一種上面所述的探測器的制備方法，包括以下步驟：

S1.在襯底上生長n型層；

S2.在所述n型層上生長i型超晶格倍增層；

S3.在所述i型超晶格倍增層上生長i型光敏吸收層；

S4.在所述i型光敏吸收層上生長p型層；

S5在所述p型層上設置p型歐姆電極，在所述n型層上設置n型歐姆電極；

其中，步驟S2中所述i型超晶格倍增層為AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

進一步地，所述n型層、i型光敏吸收層和p型層材料為Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

由上述技術方案可知，本發明提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器，通過設置AlN/GaN超晶格結構，大大提高了探測器的檢測靈敏度。這是因為：AlN/GaN這種特殊的超晶格結構不但利用導帶帶階大和價帶帶階小的材料特點來實現大的電子空穴離化系數之比，而且更為關鍵的是，在AlN和GaN中，存在很深的導帶Γ能谷(2eV)，同時AlN/GaN異質結中存在2-eV的導帶帶階，這樣，在AlN/GaN超晶格中，電子可以在AlN和GaN這兩種材料的Γ谷中連續無阻礙輸運。由于電子一直處于Γ谷，受到的散射很低，從電場獲得能量可以高效積累。在電子從AlN返回GaN時重新釋放勢能，此時能量將超過兩種材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁帶寬度，可以高效率的觸發離化碰撞。整個輸運過程中電子從電場獲得的能量有效地用于發生離化碰撞，這樣能夠達到降低熱化損耗的目的，而降低熱化損耗可以使得電子發生離化碰撞的效率大大提高，可以在很低的電場下發生高效級聯倍增。此外，由于電場很低，空穴有效質量又很大，受到散射非常強烈，根本無法發生離化碰撞，因此只有電子能夠觸發離化倍增，倍增過程單向進行，不形成正反饋機制，這樣從宏觀角度上看，使得探測器的響應電流能夠與入射光強呈線性的正比例關系。而傳統雪崩探測器因依靠正反饋機制而形成高增益，故傳統雪崩探測器的響應電流無法反應入射光的強度。而本發明的高增益效果不依賴于正反饋機制，故可以使得探測器的響應電流與入射光強呈線性的正比例關系，即本發明可使探測器即使在高增益工作狀態下依然能保證很好的線性可控特征，可準確感知入射光的強度。綜上所述，本發明可提供一種線性可控的高增益和低噪聲雪崩探測器來探測弱紫外線。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例一提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器的結構示意圖；

圖2是本發明實施例二提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器的制作方法流程圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1示出了本發明實施例一提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器的結構示意圖，如圖1所示，本實施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器包括：

襯底，所述襯底上依次設有n型層、i型超晶格倍增層、i型光敏吸收層和p型層；所述n型層上設有n型歐姆電極，所述p型層上設有p型歐姆電極；所述i型超晶格倍增層為AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

本實施例提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器，通過設置AlN/GaN超晶格結構，大大提高了探測器的檢測靈敏度。這是因為：AlN/GaN這種特殊的超晶格結構不但利用導帶帶階大和價帶帶階小的材料特點來實現大的電子空穴離化系數之比，而且更為關鍵的是，在AlN和GaN中，存在很深的導帶Γ能谷(2eV)，同時AlN/GaN異質結中存在2-eV的導帶帶階，這樣，在AlN/GaN超晶格中，電子可以在AlN和GaN這兩種材料的Γ谷中連續無阻礙輸運。由于電子一直處于Γ谷，受到的散射很低，從電場獲得能量可以高效積累。在電子從AlN返回GaN時重新釋放勢能，此時能量將超過兩種材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁帶寬度，可以高效率的觸發離化碰撞。整個輸運過程中電子從電場獲得的能量有效地用于發生離化碰撞，這樣能夠達到降低熱化損耗的目的，而降低熱化損耗可以使得電子發生離化碰撞的效率大大提高，可以在很低的電場下發生高效級聯倍增。此外，由于電場很低，空穴有效質量又很大，受到散射非常強烈，根本無法發生離化碰撞，因此只有電子能夠觸發離化倍增，倍增過程單向進行，不形成正反饋機制，這樣從宏觀角度上看，使得探測器的響應電流能夠與入射光強呈線性的正比例關系。而傳統雪崩探測器因依靠正反饋機制而形成高增益，故傳統雪崩探測器的響應電流無法反應入射光的強度。而本發明的高增益效果不依賴于正反饋機制，故可以使得探測器的響應電流與入射光強呈線性的正比例關系，即本實施例可使探測器即使在高增益工作狀態下依然能保證很好的線性可控特征，可準確感知入射光的強度。綜上所述，本實施例可提供一種線性可控的高增益和低噪聲雪崩探測器來探測弱紫外線。

另外，本實施例所述AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器中的超晶格結構可以降低器件的雪崩閾值電壓，從而降低了器件的擊穿概率，也就是說提高了器件的成品率。

為了使AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器的質量得到提高，所述襯底在設置n型層之前，還可設置一層低溫緩沖層。

此外，所述所述i型超晶格倍增層除了可以為AlN/GaN超晶格倍增層以外，還可以是AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格倍增層，其中0≤x<y≤1。其原理基本類似，此處不再詳述。

此外，所述n型層、i型光敏吸收層和p型層材料可以為Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

所述Al_xGa_1-xN為寬禁帶半導體材料，利用Al_xGa_1-xN制作n型層、i型光敏吸收層和p型層，可以使得AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器在室溫工作，同時對可見光不響應。另外，寬禁帶半導體材料Al_xGa_1-xN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。它抗紫外輻照能力強，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。另外，由于Al_xGa_1-xN屬于直接帶隙半導體，且禁帶寬度隨組分可調，從而有利于制作探測波長可調諧的探測器，并且方便使用能帶工程手段獲得更好的探測性能。

其中，所述n型層的厚度為1～10μm。

其中，所述i型超晶格倍增層的周期數為1～100，勢壘或勢阱的寬度為1～100nm。

其中，所述i型光敏吸收層的厚度為10～1000nm。

其中，所述p型層的厚度為10～1000nm。

圖2示出了實施例二提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器制備方法的流程圖，如圖2所示，本實施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器制備方法如下所述。

步驟201：在襯底上生長n型層。

步驟202：在所述n型層上生長i型超晶格倍增層。

步驟203：在所述i型超晶格倍增層上生長i型光敏吸收層。

步驟204：在所述i型光敏吸收層上生長p型層。

步驟205：在所述p型層上設置p型歐姆電極，在所述n型層上設置n型歐姆電極。

其中，步驟202中所述i型超晶格倍增層為AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

由此，本實施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器制備方法，通過在n型層上生長i型超晶格倍增層，使得光敏吸收層在吸收紫外光后，在超晶格倍增層發生雪崩。本實施例制備得到的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器，其超晶格倍增層為AlN/GaN超晶格結構，AlN/GaN這種特殊的超晶格結構不但利用導帶帶階大和價帶帶階小的材料特點來實現大的電子空穴離化系數之比，而且更為關鍵的是，在AlN和GaN中，存在很深的導帶Γ能谷(2eV)，同時AlN/GaN異質結中存在2-eV的導帶帶階，這樣，在AlN/GaN超晶格中，電子可以在AlN和GaN這兩種材料的Γ谷中連續無阻礙輸運。由于電子一直處于Γ谷，受到的散射很低，從電場獲得能量可以高效積累。在電子從AlN返回GaN時重新釋放勢能，此時能量將超過兩種材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁帶寬度，可以高效率的觸發離化碰撞。整個輸運過程中電子從電場獲得的能量有效地用于發生離化碰撞，這樣能夠達到降低熱化損耗的目的，而降低熱化損耗可以使得電子發生離化碰撞的效率大大提高，可以在很低的電場下發生高效級聯倍增。此外，由于電場很低，空穴有效質量又很大，受到散射非常強烈，根本無法發生離化碰撞，因此只有電子能夠觸發離化倍增，倍增過程單向進行，不形成正反饋機制，這樣從宏觀角度上看，使得探測器的響應電流能夠與入射光強呈線性的正比例關系。而傳統雪崩探測器因依靠正反饋機制而形成高增益，故傳統雪崩探測器的響應電流無法反應入射光的強度。而本發明的高增益效果不依賴于正反饋機制，故可以使得探測器的響應電流與入射光強呈線性的正比例關系，即本實施例可使探測器即使在高增益工作狀態下依然能保證很好的線性可控特征，可準確感知入射光的強度。綜上所述，本實施例可提供一種線性可控的高增益和低噪聲雪崩探測器來探測弱紫外線。

下面實施例三至六提供了四種Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN超晶格紫外探測器制備方法，其中，0≤x<y≤1。

實施三提供了一種AIN/GaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探測器制備方法如下所述。其中，AIN/GaN表示AIN和GaN兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格，類似地，后續實施例提到的AIN/AlGaN、GaN/AlGaN和Al_0.2Ga_0.8N/Al_0.5Ga_0.5N都代表同樣的含義。

步驟301：采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH₃作為氮源，硅烷做n型摻雜劑，在藍寶石襯底上生長20nm的n型GaN低溫緩沖層。所述GaN為Al_xGa_1-xN當x＝0時的材料。

在本步驟中，所述襯底材料為藍寶石、氧化鋅、硅、碳化硅、硅上生長的氮化鋁復合襯底、硅上生長的氧化鋅復合襯底或Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

步驟302：在所述低溫緩沖層上生成一層3μm的n型CaN，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟303：在所述n型層上生長20個周期的AIN(20nm)/GaN(10nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。

在本步驟中，AIN為Al_xGa_1-xN當x＝1時的材料，GaN為Al_yGa_1-yN當y＝0時的材料，所述AIN(20nm)/GaN(10nm)表示AIN和GaN兩種不同組元以AIN為20納米和GaN為10納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

步驟304：在所述超晶格倍增層上生長一層300nm的i型CaN光敏吸收層。

步驟305：在所述i型光敏吸收層上生長一層100nm的p型CaN層，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟306：使用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術在從p型層的上表面刻蝕至n型層，形成臺面。

步驟307：使用電子束蒸發(EB)技術在所述p型層上沉積一層Ni/Au電極，在所述n型層上沉積一層Cr/Au電極。

步驟308：使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積200nm的SiO₂鈍化層。

在本步驟中，為了減少漏電流，提高探測微弱信號的靈敏度，可以在臺面上沉積一層鈍化層。

實施四提供了一種AIN/AlGaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。

步驟401：采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH₃作為氮源，硅烷做n型摻雜劑，在氧化鋅襯底上生長100nm的n型Al_0.4Ga_0.6N低溫緩沖層。

步驟402：在所述低溫緩沖層上生成一層5μm的n型Al_0.4Ga_0.6N，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟403：在所述n型層上生長30個周期的AlN(30nm)/Al_0.4Ga_0.6N(40nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。

在本步驟中，AIN為Al_xGa_1-xN當x＝1時的材料，Al_0.4Ga_0.6N為Al_yGa_1-yN當y＝0.4時的材料，所述AlN(30nm)/Al_0.4Ga_0.6N(40nm)表示AIN和Al_0.4Ga_0.6N兩種不同組元以AIN為30納米和Al_0.4Ga_0.6N為40納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

步驟404：使用三甲基鋁(TMAl)作鋁源，在所述i型超晶格倍增層上生長一層400nm的i型Al_0.4Ga_0.6N光敏吸收層。

步驟405：在所述i型光敏吸收層上生長一層200nm的p型Al_0.4Ga_0.6N層，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟406：使用反應離子(RIE)刻蝕技術在從p型層的上表面刻蝕至n型層，形成臺面。

步驟407：使用電子束蒸發(EB)技術在所述p型層上沉積一層ITO透明電極，在所述n型層上沉積一層Ti/Al電極。

步驟408：使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積300nm的SiO₂鈍化層。

實施五提供了一種GaN/AlGaN超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。

步驟501：采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH₃作為氮源，硅烷做n型摻雜劑，在碳化硅襯底上生長200nm的n型Al_0.1Ga_0.9N低溫緩沖層。

步驟502：在所述低溫緩沖層上生成一層6μm的n型Al_0.1Ga_0.9N，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟503：在所述n型層上生長60個周期的GaN(50nm)/Al_0.1Ga_0.9N(60nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。

在本步驟中，GaN為Al_xGa_1-xN當x＝0時的材料，Al_0.1Ga_0.9N為Al_yGa_1-yN當y＝0.1時的材料，所述GaN(50nm)/Al_0.1Ga_0.9N(60nm)表示GaN和Al_0.1Ga_0.9N兩種不同組元以GaN為50納米和Al_0.1Ga_0.9N為60納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。

步驟504：使用三甲基鋁(TMAl)作鋁源，在所述i型超晶格倍增層上生長一層500nm的i型Al_0.1Ga_0.9N光敏吸收層。

步驟505：在所述i型光敏吸收層上生長一層300nm的p型Al_0.1Ga_0.9N層，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟506：使用濕法刻蝕技術在從p型層的上表面刻蝕至n型層，形成臺面。

步驟507：使用電子束蒸發(EB)技術在所述p型層上沉積一層ZnO透明電極，在所述n型層上沉積一層Cr/Au電極。

步驟508：使用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)技術在臺面上沉積400nm的SiN₂鈍化層。

實施六提供了一種Al_0.2Ga_0.8N/Al_0.5Ga_0.5N超晶格紫外探測器制備方法，如下所示，本實施例的紫外探測器制備方法如下所述。

步驟601：采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(MOCVD)技術，以三甲基鎵(TMGa)作鎵源，高純NH₃作為氮源，硅烷做n型摻雜劑，在硅襯底上生長60nm的n型Al_0.5Ga_0.5N低溫緩沖層。

步驟602：在所述低溫緩沖層上生成一層2μm的n型Al_0.5Ga_0.5N，摻雜濃度為10¹⁹cm^-3。

步驟603：在所述n型層上生長90個周期的Al_0.2Ga_0.8N(70nm)/Al_0.5Ga_0.5N(80nm)的i型超晶格倍增層，即超晶格雪崩區。

在本步驟中，Al_0.2Ga_0.8N為Al_xGa_1-xN當x＝0.2時的材料，Al_0.5Ga_0.5N為Al_yGa_1-yN當y＝0.5時的材料，所述Al_0.2Ga_0.8N(70nm)/Al_0.5Ga_0.5N(80nm)表示Al_0.2Ga_0.8N和Al_0.5Ga_0.5N兩種不同組元以Al_0.2Ga_0.8N為70納米和Al_0.5Ga_0.5N為80納米的薄層交替生長并保持嚴格周期性形成的超晶格。