一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管及制備方法與流程

本發明涉及光通信技術領域，更具體地，涉及一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管及制備方法。

背景技術：

自第一根光纖問世以來，以光子為傳輸載體的光纖通信以其容量大、重量輕、價格便宜、抗電磁干擾、抗腐蝕能力強等多種優點，得到越來越多人的青睞，使其在眾多的應用中開始逐步取代以電子為傳輸載體的通信方式。隨著10Gbit/s的光纖通信系統商業化，40Gbit/s的光纖通信系統得以實現，100Gbit/s的光纖通信系統也成為下一代通信系統的理想選擇。

在光纖通信系統的發展中，光電探測器作為一個不可或缺的部件，其性能的優劣對整個光纖通信系統的性能起著決定性作用。先前的光探測器，因為要檢測弱的光信號，所以其必須要求有很好的靈敏性，高速性能也同等重要；而現在，由于在探測器前面放置了光放大器，光探測器對靈敏度的要求已不是關鍵，但是高光功率限制了高速特性，因此新的挑戰是設計出在高光功率下仍能有高速特性的光探測器。因此，應用于高速光纖通信系統的光探測器，其性能的優劣要從高速飽和輸出特性和響應帶寬兩個方面來衡量。對于傳統的PIN光探測器，由于受到空間電荷效應的限制，很難在高電流密度條件下保持高速響應，帶寬和響應度之間相互制衡。

為了解決問題，提出了紫外單行載流子光電探測器，這種探測器只采用高速電子作為有源載載流子，并且電子在集結層的過沖速度非常高，減少了空間電荷，從而使其相比較普通的PIN光探測器具有更高的工作電流密度，最終使其同時實現高速和高速飽和輸出性能。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、火焰探測，光通信、紫外光源的校準以及天文學研究。在上述應用中，需要解決的一個關鍵技術問題是對微弱紫外光信號甚至單光子的檢測。這是由于空氣對紫外光的吸收很強烈，紫外光在大氣中衰減很快，到達探測端的強度很低。對于微弱紫外光信號，通常采用具有增益的光電倍增管PMT或者半導體雪崩光電二極管APD來進行檢測。光電倍增管PMT盡管具有高增益和低噪聲，但是其體積大且玻璃外殼易碎，同時還需要很高的電源功率。

目前，最常用的紫外光電探測器是基于Si材料的光電二極管，Si材料是晶體質量最高的材料。這是因為Si中的電子和空穴碰撞電離產生電子空穴對的能力差別最大，可以通過設計器件只讓電子這一種載流子發生雪崩。但是，Si和其他窄禁帶半導體探測器一樣面臨如下的一些固有的局限性：首先，對于Si或GaAs等這些窄禁帶半導體而言，紫外光的能量遠高于其帶隙，它們在紫外光的照射下很容易老化。此外，通常是SiO2鈍化層，會減少深紫外線范圍的量子效率，同時也面臨紫外線照射退化的問題。這些器件的另一個限制是其同時對低能量的光子也具有響應，因此必須使用昂貴和復雜的濾波器來阻擋可見光和紅外線光子，導致有效面積有顯著損失。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管及制備方法，只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出的紫外光電二極管，使得紫外光電二極管具備了高響應速率和高速飽和電流，同時獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗，并且制作工藝簡單、成本低、易于實現。

根據本發明的一個方面，提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管，包括襯底，所述襯底上依次生長有n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN外延層上設有n型接觸電極，所述p型GaN接觸層上設有p型接觸電極。

作為優選的，所述襯底為藍寶石襯底，所述藍寶石襯底為晶格是(0001)的氧化鋁的單晶。

作為優選的，所述襯底和n型AlGaN外延層間生長有AlN緩沖層，所述AlN緩沖層厚度為4000nm。

作為優選的，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層和第二n型AlGaN收集層；所述n型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.45，Ga組分為0.55。

作為優選的，所述第二n型AlGaN收集層為n型摻雜，摻雜材料是Si，摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

作為優選的，所述p型AlGaN外延層依次包括p型AlGaN過渡層、p型AlGaN吸收層和p型AlGaN電子阻擋層，所述p型AlGaN過渡層連接n型AlGaN外延層，所述p型AlGaN電子阻擋層連接p型GaN接觸層；所述p型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.38，Ga組分為0.62。

作為優選的，所述p型AlGaN過渡層和p型AlGaN吸收層為p型摻雜，摻雜材料為Si，p型AlGaN過渡層底部摻雜濃度為2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN過渡層頂部和p型AlGaN吸收層底部摻雜濃度為5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收層頂部摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管的制作方法，包括以下步驟：

S1、在襯底正面生長AlN緩沖層、n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；

S2、制作n型接觸電極和p型接觸電極。

作為優選的，所述步驟S1具體包括：在1000～1300℃生長溫度下，通過MOCVD工藝在襯底表面依次生長AlN緩沖層、n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層、第二n型AlGaN收集層，所述p型AlGaN外延層包括p型AlGaN過渡層、p型AlGaN吸收層、p型AlGaN電子阻擋層。

作為優選的，其特征在于，所述步驟S1中才用MOCVD生長外延層，生長溫度為1000～1300℃。

作為優選的，其特征在于，所述步驟S2具體包括:

S21、經過光刻處理后，通過磁控濺射在第一n型AlGaN收集層上鍍Pt-Ti-Pt-Au制作出環形p型接觸電極；

S22、對p型GaN和p型AlGaN材料進行腐蝕，制作出直徑為40μm的圓形上臺面，經過光刻處理和磁控濺射制作出n型接觸電極，并腐蝕出60μm的圓形下臺面；

S23、光刻處理，并通過磁控濺射鍍Ti-Au制作正負金屬電極。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管，包括依次設置的襯底、n型AlGaN收集層、p型AlGaN吸收層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN收集層上設有n型接觸電極，所述p型AlGaN上設有p型接觸電極；只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出，使得紫外光電二極管具備了高響應速率和高速飽和電流，同時獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗等特點；而且制作工藝簡單、成本低、易于實現。

附圖說明

圖1為本發明實施例的光電二極管的結構框圖；

圖2為本發明實施例的光電二極管制作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

圖1示出了一種一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管(Ultraviolet-Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UUTC-PD)的結構框圖，包括襯底，所述襯底上依次生長有n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN外延層上設有n型接觸電極，所述p型GaN接觸層上設有p型接觸電極。

作為優選的，所述襯底為藍寶石、SiC或者Si襯底，在本實施例中，才用藍寶石襯底，有利于與其他有源或者無源光器件進行集成，所述藍寶石襯底是晶格為(0001)的氧化鋁的單晶。

作為優選的，所述襯底和n型AlGaN外延層間生長有AlN緩沖層，所述AlN緩沖層厚度為4000nm。

作為優選的，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層(即圖中的n-AlGaN次收集層)和第二n型AlGaN收集層(即圖中的n-AlGaN收集層)；所述第一n型AlGaN收集層厚度為1200nm，第二n型AlGaN收集層的厚度為300nm，所述n型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.45，Ga組分為0.55。

作為優選的，所述第二n型AlGaN收集層為n型摻雜，摻雜材料是Si，摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

作為優選的，所述p型AlGaN外延層依次包括p型AlGaN過渡層、p型AlGaN吸收層和p型AlGaN電子阻擋層，所述p型AlGaN過渡層連接n型AlGaN外延層，所述p型AlGaN電子阻擋層連接p型GaN接觸層；所述p型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.38，Ga組分為0.62。

在本實施例中，p型AlGaN過渡層的厚度為30nm，p型AlGaN吸收層的厚度為900nm，p型AlGaN電子阻擋層的厚度為1200nm，p型GaN的厚度為150nm。

作為優選的，所述p型AlGaN過渡層和p型AlGaN吸收層為p型摻雜，摻雜材料為Si，p型AlGaN過渡層底部摻雜濃度為2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN過渡層頂部和p型AlGaN吸收層底部摻雜濃度為5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收層頂部摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³，整個p型AlGaN過渡層和p型AlGaN吸收層的摻雜濃度從下至上線性增加。

圖2示出了一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管的制作方法，包括以下步驟：

S1、在襯底正面生長依次生長厚度為4000nm的AlN緩沖層、厚度為1200nm的第一n型AlGaN收集層、厚度為300nm的第二n型AlGaN收集層、厚度為30nm的p型AlGaN過渡層、厚度為900nm的p型AlGaN吸收層、厚度為1200nm的p型AlGaN電子阻擋層、厚度為150nm的p型GaN接觸層；

S2、在第一n型AlGaN收集層上制作n型接觸電極，在p型GaN接觸層上制作p型接觸電極。

作為優選的，所述步驟S1中才用MOCVD生長外延層，生長溫度為1000～1300℃。

作為優選的，所述步驟S2具體包括:

S21、通過濕法腐蝕方法進行器件的制備，經過光刻處理后，通過磁控濺射在第一n型AlGaN收集層上鍍Pt-Ti-Pt-Au制作出環形p型接觸電極；

S22、對p型GaN和p型AlGaN材料進行腐蝕，制作出直徑為40μm的圓形上臺面，經過光刻處理和磁控濺射制作出n型接觸電極，并腐蝕出60μm的圓形下臺面；

S23、光刻處理，并通過磁控濺射鍍Ti-Au制作金屬(正負)電極，使用聚酰亞胺對器件進行鈍化處理，得到高速高速飽和單行載流子紫外光電二極管。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管(UUTC-PD)結構，包括依次設置的襯底、n型AlGaN收集層、p型AlGaN吸收層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN收集層上設有n型接觸電極，所述p型AlGaN上設有p型接觸電極；只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出，使得紫外光電二極管具備了高響應速率和高速飽和電流，同時獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗等特點；而且制作工藝簡單、成本低、易于實現。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。