p‑i‑n—‑n型GaN單光子雪崩探測器的製作方法
2023-05-01 04:03:21
本發明屬於寬禁帶半導體光電子器件技術領域，具體涉及一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器。
背景技術：
目前，隨著探測技術的不斷升級，紫外探測器正由第一、二代電真空器件向第三代靈巧型的全固態器件發展。根據材料體系的不同，全固態紫外探測器主要分為ZnMgO/ZnO、金剛石、Si、SiC、AlGaN/GaN等幾類技術。其中，ZnMgO/ZnO與金剛石雖然在材料屬性上具有寬禁帶、熱穩定性好、介電常數高等優點，但受制於現有的材料技術水平，該兩類探測器均存在電學特性重複性差，持續光電流效應明顯，探測靈敏度較低的問題，目前尚不能在技術上得到有效解決。Si探測器的材料技術與器件工藝成熟，可在紫外波段獲得較高的靈敏度，但無法實現本徵紫外截止，在使用中需要紫外濾光片的配合，並且成像探測需在深製冷條件下工作。SiC與(Al)GaN探測器均屬於寬禁帶半導體器件，可實現本徵紫外響應，材料屬性優越，相關技術發展較為充分，現已成為高靈敏固態紫外探測器的主要發展方向。與SiC相比，(Al)GaN屬於直接帶隙半導體，光電吸收係數高，且通過組分變化可實現禁帶寬度連續可調，施行異質結結構設計，使得探測器可採用背照式結構，尤其適合於倒裝混成的高靈敏焦平面陣列成像器件製作。
由於對大多數應用環境而言，紫外信號均非常微弱，尤其在紫外告警、生化戰劑探測、光電制導以及NLOS通信、量子通信等應用中，探測器的最低接收輻照接近單光子量級，這要求探測器具有一個很高水平的內部光電流增益。然而，普通的PIN光電二極體或線性模式的APD難以滿足要求，也就是說，目前GaN單光子雪崩探測器存在雪崩內增益不足、單光子探測效率偏低、所需工作偏壓較高等性能問題。
技術實現要素：
本發明提供一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器，以解決目前GaN單光子雪崩探測器存在的雪崩內增益不足、單光子探測效率偏低、所需工作偏壓較高的問題。
根據本發明實施例的第一方面，提供一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器，包括由上向下依次設置的p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層、n—-GaN空穴注入層和n-AlGaN下接觸層，其中所述n—-GaN空穴注入層為輕摻雜。
在一種可選的實現方式中，所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構成側面為梯形的斜臺面結構，且在所述p-GaN上接觸層的上表面設置有上電極，在所述n-AlGaN下接觸層的上表面上設置有下電極。
在另一種可選的實現方式中，所述p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器還包括由上向下依次設置的多層緩衝區、AIN模板層或成核緩衝層、襯底和微透鏡，所述多層緩衝區為所述n-AlGaN下接觸層的下一層。
在另一種可選的實現方式中，所述p-GaN上接觸層的厚度取值範圍為250nm～300nm，有效摻雜濃度≥1E+18cm-3，受主雜質為Mg。
在另一種可選的實現方式中，所述i-GaN雪崩倍增層的的厚度取值範圍為100nm～200nm，背景載流子濃度為≤5E+16cm-3。
在另一種可選的實現方式中，所述n—-GaN空穴注入層的厚度取值範圍為100nm～150nm，有效摻雜濃度為5～9E+17cm-3，施主雜質為Si。
在另一種可選的實現方式中，所述n-AlGaN下接觸層的Al組分的摩爾分數為30％～50％，外延厚度≥200nm，有效摻雜濃度為3～5E+18cm-3，施主雜質為Si。
在另一種可選的實現方式中，所述斜臺面結構的傾斜角≤45°，且其臺面為圓形。
在另一種可選的實現方式中，所述多層緩衝區採用多周期AlN/AlGaN超晶格緩衝層結構，Al組分的摩爾分數大於70％，周期數不少於10。
在另一種可選的實現方式中，所述微透鏡與斜臺面結構的臺面對應設置。
本發明的有益效果是：
1、本發明採用背入射p-i-n—-n型異質外延結構，利用n—-GaN空穴注入層層內的空穴少子發動倍增，可以獲得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入層為輕摻雜時，該層的插入大大提高了結構優化的自由度，低摻雜濃度一方面可有效減小雜質散射作用，有利於提高少子空穴的擴散長度，增大光生空穴向本徵倍增區(i-GaN)的注入效率；另一方面，通過調製n—-GaN層厚度，可有效抑制異質界面失配位錯缺陷向i-GaN倍增內的攀延，避免整個器件發生體內提前擊穿。n—-GaN層的摻雜濃度與厚度等參數應當設定在合適範圍內，否則，由於梯度電場的存在及電荷區的拓寬，i-GaN倍增區的電場強度有可能難以達到離化臨界閾值；
2、本發明以n—-GaN/n-AlGaN異質結取代傳統pin型結構的n-GaN層，n—-GaN作為吸收注入層，n-AlGaN作為下接觸層，既利於有源區外延材料的晶體質量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN層的摻雜濃度、厚度等參數靈活可調，通過折衷優化可在較低工作偏壓下獲得極高的雪崩增益；
3、本發明通過使所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構成側面為梯形的斜臺面結構，對臺面斜角的工藝進行控制，可以有效降低臺面側壁的表面電場，避免器件因表面漏電發生提前擊穿；
4、本發明通過在襯底背面製作微透鏡，可以通過光學匯聚效應補償斜臺面與小光敏面造成的光能量收集問題，從而可以進一步提高器件靈敏度。
附圖說明
圖1是本發明p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器的一個實施例結構示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明實施例中的技術方案，並使本發明實施例的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明實施例中技術方案作進一步詳細的說明。
在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
參見圖1，為本發明p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器的一個實施例結構示意圖。該p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測器可以包括包括由上向下依次設置的p-GaN上接觸層110、i-GaN雪崩倍增層120、n—-GaN空穴注入層130、n-AlGaN下接觸層140、多層緩衝區150、AIN模板層或成核緩衝層160、襯底170和微透鏡180，其中所述n—-GaN空穴注入層130為輕摻雜，所述p-GaN上接觸層110、i-GaN雪崩倍增層120和n—-GaN空穴注入層130構成側面為梯形的斜臺面結構，且在所述p-GaN上接觸層110的上表面設置有上電極190，在所述n—-GaN空穴注入層130兩側，所述n-AlGaN下接觸層140的上表面上設置有下電極200。需要注意的是：每層前面所標記的材料符號(諸如p-GaN、i-GaN、n—-GaN和n-AlGaN)都表示該層由對應的該種材料製成，並且n—表示該層為n型輕摻雜。
經研究發現，採用背入射p-i-n—-n型異質外延結構，利用n—-GaN空穴注入層層內的空穴少子發動倍增，可以獲得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入層為輕摻雜時，該層的插入大大提高了結構優化的自由度，低摻雜濃度一方面可有效減小雜質散射作用，有利於提高少子空穴的擴散長度，增大光生空穴向本徵倍增區(i-GaN)的注入效率；另一方面，通過調製n—-GaN層厚度，可有效抑制異質界面失配位錯缺陷向i-GaN倍增內的攀延，避免整個器件發生體內提前擊穿。n—-GaN層的摻雜濃度與厚度等參數應當設定在合適範圍內，否則，由於梯度電場的存在及電荷區的拓寬，i-GaN倍增區的電場強度有可能難以達到離化臨界閾值。本實施例中，所述n—-GaN空穴注入層130的厚度為100nm～150nm，有效摻雜濃度為5～9E+17cm-3，施主雜質為Si。
經研究發現，採用重摻雜的寬帶隙N-AlGaN作為下接觸層140，既能避免目標譜段光子到達n—-GaN(吸收注入層)之前的背入射吸收，又能緩釋晶格失配應力，改善有源區界面質量，降低光生載流子的界面複合。本實施例中，所述n-AlGaN下接觸層140的Al組分的摩爾分數為30％～50％，外延厚度≥200nm，有效摻雜濃度為3～5E+18cm-3，施主雜質為Si。本發明以n—-GaN/n-AlGaN異質結取代傳統pin型結構的n-GaN層，n—-GaN作為吸收注入層，n-AlGaN作為下接觸層，既利於有源區外延材料的晶體質量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN層的摻雜濃度、厚度等參數靈活可調，通過折衷優化可在較低工作偏壓下獲得極高的雪崩增益。
另外，本發明通過使所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構成側面為梯形的斜臺面結構，對臺面斜角的工藝進行控制，可以有效降低臺面側壁的表面電場，避免器件因表面漏電發生提前擊穿。本實施例中，斜臺面結構的傾斜角≤45°，且其臺面為圓形，圓形利於製作均勻性良好的斜臺面，與方形比較，更有利於改善邊緣電場的分布特性；此外，還可以採用SiO2或SiNx介質膜鈍化器件斜臺面。本發明通過在襯底背面製作微透鏡，可以通過光學匯聚效應補償斜臺面與小光敏面造成的光能量收集問題，從而可以進一步提高器件靈敏度。
本實施例中，可以利用MOCVD生長技術製備圖1所示的外延結構，其中外延材料襯底170可以為雙面拋光藍寶石或AlN單晶襯底，襯底170上生長AlN模板層或成核緩衝層160，其作用是緩釋晶格失配應力、抑制晶格失配位錯，改善後續材料生長質量。由於AlN模板層或成核緩衝層160的厚度太薄不能有效抑制失配位錯的攀延，厚度太厚將導致材料出現裂紋，為了避免出現上述缺陷，本實施例中AlN模板層或成核緩衝層160厚度的取值範圍為0.8μm～1.5μm。在AlN模板層或成核緩衝層160上生長多層緩衝區150，該多層緩衝區150，可以採用多周期AlN/AlGaN超晶格緩衝層結構(即AlN/AlGaN交替生長，最底層為AIN層)，目的是進一步有效緩釋晶格失配應力、抑制晶格失配位錯，超晶格層厚極薄(幾十納米)，可以實現完全應變生長，避免失配應力造成的晶格弛豫，能夠有效抑制位錯缺陷。此外，多層緩衝區150中Al組分的摩爾分數不低於70％，Al組分過小容易造成AlN/AlGaN之間的應力增大，超晶格周期數不低於10，周期數過少對位錯缺陷抑制效果不理想。
在多層緩衝區150上生長n+-AlxGa1-xN下接觸層140，在n+-AlxGa1-xN下接觸層140上生長n—-GaN空穴注入層130，在n—-GaN空穴注入層130上生長i-GaN雪崩倍增層120，在i-GaN雪崩倍增層120上生長p-GaN上接觸層110。其中，p-GaN上接觸層110的厚度太薄無法獲得高質量的接觸層材料，太厚不利於光生載流子的收集；較高的p型有效摻雜濃度是獲得低阻歐姆接觸的重要前提。因此，p-GaN上接觸層110厚度的取值範圍為250nm～300nm，有效摻雜濃度≥1E+18cm-3，受主雜質為Mg。
採用斜臺面工藝製作器件，臺面斜角≤45°，臺面為圓形臺面；採用SiO2或SiNx介質膜鈍化器件斜臺面；下電極採用Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au多層金屬，上電極採用Ni/Au雙層金屬。採用雙面光刻、幹法刻蝕等工藝在器件晶片背面原位製作微透鏡，微透鏡結構尺寸與光敏元尺寸及斜角大小相匹配，滿足高效率聚光要求。
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理並包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正範圍和精神由下面的權利要求指出。
應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由所附的權利要求來限制。