單片集成紫外‑紅外雙色雪崩光電二極體的製作方法

2023-12-02 19:37:37

本實用新型涉及光電探測器領域，具體涉及一種單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極體。

背景技術：

雙色探測，甚至多色探測是未來探測技術發展的主要方向之一，其在氣象監測、火災預警、飛彈制導等民用和軍用領域均有重要應用價值。單一波長的探測方式容易受到背景輻射、幹擾信號等影響，如果探測器能同時具有紫外-紅外雙波段的獨立探測能力，則可以大大增加探測的可靠性、魯棒性和精確性。特別地，在一些複雜應用場景中，到達探測器的光信號非常微弱，這就要求探測器在兩個波段能同時具有更高的響應度，即希望探測器能工作於增益模式。

光電倍增管（PMT）在紫外波段具有極高的增益和低的噪聲，但對紅外波段幾乎不響應，而且相對於半導體探測器具有體積大、易脆的缺點。

目前，在半導體增益型探測器中，矽基雪崩光電二極體的應用最為廣泛，但受矽材料禁帶寬度的制約，一方面在紫外光照射下容易老化，一方面對波長長於1100 nm的光波基本不響應，也不是理想的紫外-紅外雙色雪崩探測器件。

GaN基寬禁帶半導體材料物理和化學性質非常穩定，且其禁帶寬度剛好在紫外波段附近，是較為理想的製作紫外探測器件的材料。另外，隨著材料外延技術的進步，異質結材料結構的成功製備使得氮化物材料探測紅外光波成為可能。因此，採用氮化物材料來發展單片集成紫外-紅外雙色探測技術是當前的研究熱點。現有的GaN基紫外-紅外雙色探測器件主要是基於體材料帶間躍遷（紫外探測）與導帶帶階的內光電子發射（紅外探測）或子帶能級躍遷（紅外探測）相結合的光電導模式，其工作原理限制了器件不能工作於雪崩探測模式。在傳統的GaN基吸收倍增分離式雪崩光電二極體中，吸收區採用體材料，只能夠對紫外光產生響應。因此，若將吸收區的體材料換成周期性異質結材料結構，利用帶間躍遷實現對紫外光的探測，利用導帶內子帶能級間躍遷實現紅外光探測，則可同時實現紫外-紅外雙波段的雪崩探測。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極體，解決了目前單片集成雙色探測器件中不能同時實現雙波段雪崩探測的問題，能有效保證在兩個波段具有高的響應度。

本實用新型的技術方案如下：

單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極體，其特徵在於，所述二極體的材料結構自下至上包括：襯底、緩衝層、下電極接觸層、本徵倍增層、電荷層、周期性異質結構吸收層、上電極接觸層；所述本徵倍增層為光生電子發生碰撞離化區域；所述下電極接觸層的上面設有n型下歐姆接觸電極，所述上電極接觸層的上面設有p型歐姆接觸電極。

或者，單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極體，其特徵在於，所述二極體的材料結構自下至上包括：襯底、緩衝層、下電極接觸層、本徵倍增層、電荷層、周期性異質結構吸收層、上電極接觸層；所述本徵倍增層為光生電子發生碰撞離化區域；所述下電極接觸層的上面設有n型下歐姆接觸電極，所述上電極接觸層的上面設有p型歐姆接觸電極，所述電荷層的上面靠近臺面邊緣處設有另一p型歐姆接觸電極，形成三電極控制器件。

所述器件的襯底一側面製成斜面或者在製作p型歐姆接觸電極之前在上電極接觸層上製作一維光柵或二維光柵

所述襯底可以為藍寶石（Al2O3）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、碳化矽（SiC）、矽（Si）、氧化鋅（ZnO）等材料中的任意一種，用於探測器材料結構生長。

所述緩衝層生長在襯底之上，然後依次生長下電極接觸層、本徵倍增層、電荷層和上電極接觸層，所述緩衝層、下電極接觸層、本徵倍增層、電荷層和上電極接觸層所選的材料為鋁鎵氮（AlGaN）、銦鎵氮（InGaN）、銦鋁氮（InAlN）、銦鋁鎵氮（InAlGaN）、碳化矽（SiC）中的一種或不同種。

所述下電極接觸層的n型摻雜濃度在1×1017 cm-3至5×1019 cm-3之間，厚度為0.1μm至10μm，用於製作n型歐姆接觸電極；

所述本徵倍增層的厚度為0.05μm至1.0μm，為光生載流子發生雪崩倍增的區域；

所述電荷層的p型摻雜濃度在1×1017 cm-3至1×1019 cm-3之間，厚度為0.01μm至0.15μm，用於吸收層和倍增層電場的調節；

所述周期性異質結構吸收層採用AlxGa1-xN/AlyGa1-yN材料系，或者採用InyGa1-yN/InxGa1-xN、InGaN/AlGaN材料系，其中0≤x＜y≤1，形成周期數為1至500的量子阱或超晶格的結構，電子從導帶基態能級到激發態能級的躍遷對應於紅外光子的吸收，從價帶到導帶的躍遷對應於紫外光子的吸收。AlxGa1-xN或InyGa1-yN材料n型摻雜，摻雜濃度在5×1017cm-3至5×1019 cm-3之間，厚度為0.001μm至0.02μm，AlyGa1-yN或InxGa1-xN厚度為0.001μm至0.02μm；

所述上電極接觸層採用p型摻雜的AlzGa1-zN，0≤z≤1，摻雜濃度在1×1017 cm-3至1×1019 cm-3之間，厚度為0.05μm至0.2μm，用於製作p型歐姆接觸電極。

製備單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極體的方法，其步驟如下：

（1）在襯底上生長緩衝層；

（2）在緩衝層上生長下電極接觸層；

（3）在下電極接觸層上生長本徵倍增層；

（4）在本徵倍增層之上生長電荷層；

（5）在電荷層之上生長周期性異質結構吸收層；

（6）在周期性異質結構吸收層之上生長上電極接觸層；

（7）在下電極接觸層上製作n型歐姆接觸電極，在上電極接觸層之上製作p型歐姆接觸電極，形成雙電極控制器件，或者在電荷層之上增加另一p型歐姆接觸電極形成三電極控制器件；

（8）為了實現對近紅外光的耦合，將製作完成後的器件的襯底一側面製成斜面或者在製作p型歐姆接觸電極之前在上電極接觸層上製作一維光柵或二維光柵。

在本實用新型的器件工作時，將在p型歐姆接觸電極和n型歐姆接觸電極之間施加較高的反向電壓。由於周期性異質結構吸收層位於p型上電極接觸層和p型電荷層之間，施加在其上面的電場強度遠小於位於p型電荷層和n型下電極接觸層之間的本徵倍增層，理論上電子能在本徵倍增層中發生碰撞離化的情況下，周期性異質結構吸收層基態能級上的電子並不會由於電場的作用而被耗盡。在有紅外光入射時，周期性異質結構吸收層基態能級上的電子躍遷到激發態能級上，然後光生電子直接從激發態能級遷移到本徵倍增層中發生碰撞離化，實現對紅外光子的雪崩探測。其中，周期性異質結構吸收層內基態能級和激發態能級的能量差將決定所吸收紅外光子的波長。在紫外光入射時，周期性異質結構吸收層量子阱（或量子勢壘）內的電子從價帶躍遷導帶中，產生的光生電子再遷移到本徵倍增層中發生碰撞離化，實現對紫外光子的雪崩探測。其中，吸收紫外光子的長波限主要受限於吸收層材料的禁帶寬度。基於本實用新型所描述的器件，可以同時實現紫外-紅外雙色雪崩探測，提高在兩個波段的響應靈敏度。

特別的，為了防止吸收層基態能級上的電子在大反向偏壓和氮化物材料極化電場的共同作用下被耗盡，從而影響器件在紅外波段的工作，還可將器件製作成雙臺面結構以形成三電極控制器件，對周期性異質結構吸收層和本徵倍增層施加不同的電場分別調控其能帶結構。具體的製作方法是將大臺面結構刻蝕到下電極接觸層，小臺面結構以刻蝕到電荷層為宜，隨後在臺面區域以外（下電極接觸層）製作n型歐姆接觸電極，在小臺面之上（上電極接觸層）製作第一p型歐姆接觸電極，在露出的電荷層之上製作第二p型歐姆接觸電極。通過在第一和第二p型歐姆接觸電極間施加較小的電壓差控制周期性異質結構吸收層的能帶結構基本處於平帶狀態，以保證基態能級上有足夠的電子填充，在第二p型歐姆接觸電極和n型歐姆接觸電極間施加較大的反向電壓，利於光生載流子發生雪崩倍增效應。

附圖說明

圖1為本實用新型在反向工作電壓下的能帶結構示意圖及載流子輸運示意圖。

圖2 為實施例1的截面結構示意圖。

圖3為實施例1中的周期性異質結構吸收層的導帶能帶結構示意圖。

圖4為實施例2的截面結構示意圖。

圖5為實施例2的周期性異質結構吸收層的導帶能帶結構示意圖。

其中，101－下電極接觸層，103－本徵倍增層，105－電荷層，107－周期性異質結構吸收層，109－上電極接觸層，201－襯底，203－緩衝層，205－n型下歐姆接觸電極，207－p型上歐姆接觸電極，209－第一p型歐姆接觸電極，211－第二p型歐姆接觸電極，301－吸收層電子基態能級波函數，303－吸收層電子激發態能級波函數。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，對器件工作狀態下的能帶結構及載流子動力學過程進行展示，其中101為下電極接觸層，103為本徵倍增層，105為電荷層，107為周期性異質結構吸收層，109為上電極接觸層。在工作狀態下，需要給器件施加較大的反向偏壓，這時在本徵倍增層中將產生大的電勢差，該層的電場強度遠大於其他層的電場強度，為光生載流子發生碰撞離化提供足夠的動能。同時，周期性異質結構吸收層的能帶基本處於平帶狀態，以保證基態能級被電子有效填充。在紅外光激發下，周期性異質結構吸收層基態能級上的電子躍遷到激發態能級成為光生電子，光生電子在電場的作用下通過共振隧穿進入電荷層，最後遷移到本徵倍增層中發生碰撞離化，完成對紅外光子的雪崩探測。吸收紅外光子的能量由基態能級和激發態能級的能量差決定。同理，在紫外光的激發下，異質結量子阱和量子勢壘中價帶內的電子將被激發到導帶上，形成光生電子，光生電子最終再遷移到本徵倍增層中完成對紫外光子的雪崩探測。紫外光的峰值響應波長和響應譜半寬一方面與材料的禁帶寬度有關，另外還與光生電子在導帶內不同能量分布上的輸運效率有關。

如圖2所示，本實例所述的器件結構的截面示意圖，該結構利用分子束外延技術（MBE）在藍寶石襯底上生長而成。自襯底201向上依次為緩衝層203、下電極接觸層101、本徵倍增層103、電荷層105、周期性異質結構吸收層107和上電極接觸層109，具體的製備方法如下：

（1）先在藍寶石襯底上生長1μm 的AlN緩衝層；

（2）在AlN緩衝層上接著生長800 nm的n型GaN下電極接觸層，摻雜濃度為1×1019cm-3；

（3）在n型GaN下電極接觸層上再生長300 nm的GaN倍增層，即雪崩區；

（4）在GaN倍增層之上生長50 nm的p型GaN電荷層，p型摻雜濃度為5×1017 cm-3；

（5）在p型GaN電荷層之上生長50個周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）異質結構吸收層，兩種薄層材料交替生長並保持嚴格周期性，GaN層n型摻雜，摻雜濃度為5×1019 cm-3；

（6）在50個周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）異質結構吸收層上再生長100 nm的p型GaN上電極接觸層，摻雜濃度為1×1019 cm-3；

（7）採用標準的光刻工藝、ICP刻蝕工藝將生長完成後的材料樣品的部分區域刻蝕至n型GaN下電極接觸層，形成直徑為數十微米至數百微米的圓形臺面結構；

（8）採用電子束蒸發技術在圓形臺面結構之上沉積厚度為2.5 nm/5 nm的Ni/Au透明電極，然後在刻蝕後露出的n型GaN表面採用濺射的方法沉積厚度為20 nm/300 nm的Ti/Au電極；

（9）製作電極後的樣品在空氣氛圍中600℃退火5 min；

（10）採用等離子體化學氣相沉積技術（PECVD）在樣品表面沉積300 nm SiO2鈍化保護層，採用反應離子刻蝕（RIE）技術將金屬電極上的SiO2鈍化層刻蝕掉；

（11）最後將襯底的底面一側磨成45°角。

器件工作時，紫外光從正上方入射，經過Ni/Au透明電極和p型GaN上電極接觸層到達周期性異質結構吸收層，發生帶間吸收。對於紅外光，將從45°斜面入射，以滿足子帶躍遷的偏振選擇條件，即入射光要有垂直於外延生長平面的電場分量。

如圖3所示，為計算得到的周期性異質結構吸收層（只給出6個周期）導帶示意圖和電子波函數分布，其中301為基態波函數分布，303為激發態波函數分布。根據計算結果，基態能級和激發態能級的能量差約為0.8 eV，意味著將對波長為1.55μm附近的近紅外產生響應。對於紫外光，根據導帶基態能級和價帶基態能級的計算結果，其長波吸收限在320 nm附近，即對波長長於320 nm的光波基本不響應。

實施例2

如圖4所示，為實施例2所述的器件結構的截面示意圖，其中201為襯底，203為緩衝層，101為下電極接觸層，103為本徵倍增層，105為電荷層，107為周期性異質結構吸收層，109為上電極接觸層，205為下歐姆接觸電極，209為第一p型歐姆接觸電極，211為第二p型歐姆接觸電極，材料生長採用金屬有機化合物氣相沉積技術（MOCVD）。

具體的製備方法如下：

（1）首先在GaN單晶襯底上生長0.5μm 的GaN緩衝層；

（2）然後生長600 nm的n型GaN下電極接觸層，摻雜濃度為1×1019 cm-3；

（3）再在n型GaN下電極接觸層上生長200 nm的GaN倍增層，即雪崩區；

（4）在GaN倍增層之上生長150 nm的p型Al0.21Ga0.79N電荷層，p型摻雜濃度為2×1017 cm-3；

（5）在p型Al0.21Ga0.79N電荷層之上再生長30個周期、厚度為4 nm/3 nm的GaN/Al0.5Ga0.5N異質結構吸收層，兩種薄層材料交替生長並保持嚴格周期性，GaN層n型摻雜，摻雜濃度為5×1019 cm-3；

（6）在30個周期、厚度為4 nm/3 nm的GaN/Al0.5Ga0.5N異質結構吸收層之上再生長100 nm的p型Al0.21Ga0.79N上電極接觸層，摻雜濃度為1×1018 cm-3，為了改善p型電極的歐姆接觸特性，還可以再生長20 nm的p型重摻雜GaN層，摻雜濃度為1×1019 cm-3；

（7）採用標準的光刻工藝、ICP刻蝕工藝將生長完成後的材料樣品的部分區域刻蝕至n型GaN下電極接觸層，形成直徑為100μm的圓形臺面結構；

（8）以SiO2為掩膜，採用ICP刻蝕技術將圓形檯面上直徑從50-100μm的圓環區域刻蝕至電荷層，整體形成小臺面直徑為50μm，大臺面直徑為100μm的雙臺面結構；

（9）採用全息曝光技術和ICP刻蝕技術在小檯面上表面製作出一維或二維光柵結構；

（10）採用電子束蒸發技術在小臺面之上沉積厚度為200 nm的氧化銦錫（ITO）透明電極（即第一p型歐姆接觸電極），在電荷層上沉積厚度為30 nm/300 nm的Ni/Au第二p型歐姆接觸電極，然後再在刻蝕形成的n型GaN表面沉積厚度為20 nm/300 nm的Cr/Au電極；

（11）製作電極後的樣品在氧氣氛圍中500℃退火10 min；

（12）採用PECVD技術在樣品表面沉積300 nm SiNx鈍化保護層，採用RIE技術將金屬電極上的SiNx鈍化層刻蝕掉。

在所述材料結構中，電荷層和上電極接觸層均採用Al0.21Ga0.79N材料，這樣選擇的目的是為了使其晶格常數與吸收層整體結構的晶格常數基本匹配，從而避免在吸收層中產生極化電場，保證其處於平帶狀態。器件工作時，紫外光和紅外光均從正上方入射，經過ITO透明電極和上電極接觸層到達周期性異質結構吸收層，分別發生帶間吸收和子帶間吸收。光柵的作用是為了讓紅外光衍射，產生能夠激勵子帶躍遷的垂直於外延生長平面的電場分量。由於光柵結構只針對紅外光，其尺寸遠大於紫外光的波長，因此基本對紫外光的傳輸不會產生影響。器件工作採用三個電極控制，施加在n型歐姆接觸電極、第一p型歐姆接觸電極和第二p型歐姆接觸電極上的電壓分別記為Vn、Vp1、和Vp2，通過Vn和Vp2的相對大小調控倍增層的能帶結構，通過Vp1和Vp2的相對大小調控吸收層的能帶結構。為了使吸收層的光生電子能有效輸運到倍增層中且基態能級上的電子不被耗盡，施加的Vp1應略小於Vp2，同時為了在倍增層產生足夠的大的電場，Vp2應遠小於Vn。

如圖5所示，為計算得到的該實施例器件周期性異質結構吸收層（只給出4個周期）導帶示意圖和電子波函數分布，其中301為基態波函數分布，303為激發態波函數分布。根據計算結果，基態能級和激發態能級的能量差約為0.27 eV，則器件的峰值紅外響應波長在4.6μm附近。對於紫外光，根據導帶基態能級和價帶基態能級的計算結果，其長波吸收限在340 nm附近，即對波長長於340 nm的光波基本不響應。