一種半導體光探測器及其製備方法與流程
2023-12-12 22:27:47 2
本發明涉及半導體探測技術，尤其涉及半導體光探測器及其製備方法。
背景技術：
光電探測在民用和軍事領域具有廣泛的應用，包括微型可見光成像系統、頻譜分析系統、化學和生物分析(比如臭氧、汙染物以及大部分有機化合物的吸收線在紫外光譜範圍)、火焰探測(比如火災報警、飛彈預警、燃燒監測等)，還包括衛星之間進行的光通信、光源校準以及天文學研究等。
越來越多的應用需要探測器具有波長可選擇性以及高靈敏度。傳統的高靈敏探測主要依靠光電倍增管(pmt)、熱探測器、窄禁帶半導體光電二極體(photodiode)或電荷耦合器件(ccd)實現。其中，pmt具有高增益和低噪聲的特點，但其體積大，外殼為玻璃易碎，還需要很高的電源功率。熱探測器(如高溫計或輻射熱測量儀)的響應速度慢，且響應度和波長不相關。而半導體光電二極體和ccd具有固態器件的優勢，只需要中等的工作電壓即可。且半導體光探測器體積小、重量輕，並且對磁場不敏感，因此對半導體光探測器有較多的研究和應用。
圖1是現有技術中一種半導體探測器的基本結構示意圖。如圖1所示，這種半導體光探測器可以為pipin結構，1區為p層，2區為i層，3區為p層，4區為i層，5區為n層。其中，1區和5區構成pn結，是半導體器件的一種基本結構。2區為吸收層，主要用於吸收能量高於其禁帶寬度的光子的能量，從而產生電子空穴對。3區為電荷層，主要用於電場控制。4區為倍增層，主要用於電子離化碰撞，達到倍增或雪崩的效果。實際應用中，半導體光探測器還包括襯底、緩衝層和電極，圖1中未顯著畫出。也就是說，當半導體光探測器探測到光時，會產生電流，並通過兩端的電極將電信號傳輸出去，達到探測效果。
現有技術的半導體光探測器雖然能成功地對光進行探測，但通常不具備波長選擇性。而實際應用中，可能需要有針對性的對某種或某幾種波長的光進行探測，這種需求是現有技術無法滿足的。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種半導體光探測器及其製備方法，可以增強探測的選擇性。
為達到上述目的，本發明提供的技術方案如下：
一種半導體光探測器，該探測器為pipin結構，在襯底上依次包括：n型層、i型倍增層、p型電荷層、i型光敏吸收層、p型濾光層；n型層上設置有n型歐姆電極，p型濾光層上設置有p型歐姆電極；所述p型濾光層和n型層構成pn結；
所述p型濾光層和i型光敏吸收層為異質結；其中，所述p型濾光層禁帶寬度大於所述i型光敏吸收層的禁帶寬度；且所述p型濾光層為接收入射光的結構層。
較佳地，所述p型濾光層的材料為alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；
所述i型光敏吸收層的材料為alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)。
較佳地，所述n型層的材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；
所述i型倍增層的材料為alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n，其中，0≤w≤1,0≤x≤1,0≤w+x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,0≤y+z≤1；alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n兩種材料周期性交替設置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁帶寬度小於alygazin(1-y-z)n的禁帶寬度；
所述p型電荷層的材料為alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)。
較佳地，所述p型濾光層的厚度為10nm～3μm。
較佳地，所述p型電荷層的厚度為10nm～3μm。
本發明還提供了一種半導體光探測器的製備方法，適用於上述的探測器，該方法包括：
在襯底基礎上生長一層n型層；
在所述n型層上生長一層i型倍增層；
在所述i型倍增層上生長一層p型電荷層；
在所述p型電荷層上生長一層i型光敏吸收層；
在所述i型光敏吸收層上生長一層p型濾光層；
所述n型層上設置有n型歐姆電極，p型濾光層上設置有p型歐姆電極；所述p型濾光層和n型層構成pn結；所述p型濾光層和i型光敏吸收層為異質結；其中，所述p型濾光層禁帶寬度大於所述i型光敏吸收層的禁帶寬度；且所述p型濾光層為接收入射光的結構層。
較佳地，所述p型濾光層的材料為alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；
所述i型光敏吸收層的材料為alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)。
較佳地，所述n型層的材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；
所述i型倍增層的材料為alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n，其中，0≤w≤1,0≤x≤1,0≤w+x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,0≤y+z≤1；alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n兩種材料周期性交替設置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁帶寬度小於alygazin(1-y-z)n的禁帶寬度；
所述p型電荷層的材料為alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)。
較佳地，所述p型濾光層的厚度為10nm～3μm。
較佳地，所述p型電荷層的厚度為10nm～3μm。
由此可見，本發明提供的一種半導體光探測器及其製備方法，在pipin結構的探測器基礎上，p型濾光層和i型光敏吸收層為異質結，前者禁帶寬度大於後者，且需要探測的光從p型濾光層入射。正是由於p型濾光層和i型光敏吸收層為異質結，可以構成一個過濾窗口，故只有符合波長要求的光被吸收層吸收，產生載流子，從而大大增強半導體光敏探測器的選擇性。
附圖說明
圖1是現有技術中半導體光探測器的基本結構示意圖。
圖2是本發明實施一中半導體光探測器的製備方法流程圖。
圖3是本發明實施例一的半導體光探測器的結構示意圖。
圖4是本發明實施例一中濾波效應的示意圖。
圖5是本發明實施例一中能帶示意圖。
圖6是本發明實施二中半導體光探測器的製備方法流程圖。
圖7是本發明實施例二的半導體光探測器的結構示意圖。
圖8是本發明實施二中半導體光探測器的製備方法流程圖。
圖9是本發明實施例二的半導體光探測器的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面參照附圖並舉實施例，對本發明作進一步詳細說明。
本發明實施例提供一種新的半導體光探測器。該探測器設有一濾光層，可以過濾掉不需要的光，僅讓符合波長要求的光被吸收。如果所探測的光中存在符合波長要求的光，那麼該探測器就會產生電信號，從而成功進行探測。
圖2是本實施一的半導體光探測器的製備方法流程圖。如圖2所示，該製備方法包括：步驟201、在襯底基礎上生長一層n型層。步驟202、在n型層上生長一層i型倍增層。步驟203、在i型倍增層上生長一層p型電荷層。步驟204、在p型電荷層上生長一層i型光敏吸收層。步驟205、在i型光敏吸收層上生長一層p型濾光層。實際應用中，還需要設置電極等步驟，此為現有技術無需贅述。
圖3是根據上述方法製備出的光探測器的結構示意圖。如圖3所示，該探測器為pipin結構，在襯底上依次包括：n型層、i型倍增層、p型電荷層、i型光敏吸收層、p型濾光層。另外，n型層上還設置有n型歐姆電極，p型濾光層上設置有p型歐姆電極。實際應用中，半導體光探測器還包括襯底、緩衝層和電極，圖3中未明顯畫出。為了方便描述，假設1區為p型濾光層，2區為i型光敏吸收層，3區為p型電荷層，4區為i型倍增層，5區為n型層。其中，1區和5區構成pn結，是半導體具備導電性能的最基本結構。1區的p型濾光層主要用於過濾掉不符合波長要求的光。2區的i型光敏吸收層主要用於吸收能量高於其禁帶寬度的光子的能量，產生電子空穴對。3區的p型電荷層，主要用於電場控制。4區的i型倍增層主要用於電子離化碰撞，達到倍增或雪崩的效果。
這裡需要注意的是，1區的p型濾光層和2區的i型光敏吸收層應該為異質結，且p型濾光層的禁帶寬度大於i型光敏吸收層的禁帶寬度。異質結是指兩種帶隙寬度不同的半導體材料長在同一塊晶體上所形成的結。反之，如果帶隙相同則稱為同質結。另外，本實施例中1區的p型濾光層是接收入射光照射的層，即本實施例一中的探測器採用正向入射方式。
發明人在實驗中發現，普通的異質結探測器無法滿足本發明的需求。因為普通的異質結探測器僅分pn結結構，而且採用背入射方式，即光從n區入射。其中，n區的禁帶寬度大於p區，入射光中能量大的被n區吸收，能量小的被p區吸收。由於n區沒有電場分布，光生載流子產生後容易複合，無法產生響應，從而達到過濾作用。但是，由於普通異質結採用背入射方式，n區產生的電子直接向n型電極方向輸運，產生的空穴向p型電極輸運。而本發明實施例一要求電子必須達到倍增雪崩區，否則無法進行倍增處理。因此，本發明不按照現有普通的異質結設計，而是將本實施例一中的1區的p型濾光層和2區的i型光敏吸收層設置為異質結，且採用正向入射方式，由1區的p型濾光層接收入射光。
也就是說，1區的p型濾光層接收到光照射後，吸收比自身禁帶寬度所對應能量高的光子，不吸收比自身禁帶寬度所對應能量低的光子。能量低的光子將透過p型濾光層由2區的i型光敏吸收層吸收。由於1區的p型濾光層無電場分布，光生載流子會快速發生熱弛豫而損耗，無法形成有效輸運，即能量高的光子經過1區的p型濾光層不發生作用，從而達到濾波效果。進一步的，能量低的光子被2區的光敏吸收層吸收，產生的電子向n型電極方向輸運，經過3區的電荷層進入4區的倍增層，產生的空穴向p型電極方向輸運。4區倍增層中的電子觸發雪崩，產生大量電子空穴對。產生的電子繼續向n型電極方向輸運，產生的空穴繼續向p型電極方向輸運，形成電流，從而成功進行探測。
圖4是本實施例一中濾波效應的示意圖。如圖4所示，假設1區p型濾光層的禁帶寬度為egp，2區i型光敏吸收層的禁帶寬度為egi，egp>egi。通過本發明實施例一的這種方式，大於egp的光將被1區p型濾光層阻止，不會進入2區，而小於egi的光由於能量不夠也不會被吸收，只有能量在egi和egp之間的光才能被2區的i型光敏吸收層吸收，產生較強的電流。也就是說，由於p型濾光層的禁帶寬度和i型吸收層的禁帶寬度存在差異性，這個差異性構成了一個窗口效應，只有符合這個窗口要求的光才能被i型光敏吸收層吸收，從而達到波長選擇性的目的。
實際應用中，3區的p型電荷層還可以起到過渡作用，將其禁帶寬度設置在2區i型光敏吸收層和4區i型倍增層之間。這樣，一方面可以起到晶格過渡的作用，緩解生長失配帶來的不利影響。另一方面，3區的p型電荷層還可以起到能帶過渡的作用，使載流子能夠更容易到達4區i型倍增層。圖5表示本實施例中探測器各層的能帶圖。從圖中可以看出，2區i型光敏吸收層和4區i型倍增層的帶階比較大，2區i型光敏吸收層吸收光產生的載流子難以輸運到4區。如果不設置過渡區，則需要加大電場才能使載流子到達4區倍增區，而這將導致暗電流的影響。而如果像本實施例一樣設置有中間的過渡區(即3區p型電荷層)，由於其禁帶寬度介於2區和4區之間，使得2區和4區的勢能差得到緩解，從而使載流子更容易漂移到4區i型倍增層。
實際應用中，製備半導體光探測器的材料可能不同，可以採用algainn四元合金。需要說明的是，這裡所述的algainn四元合金並非一定包括這四種元素，還可以是aln、gan、inn、algan等二元或三元的組合。為了清楚表示不同層的材料，下面用元素的組分不同來進行區分。比如：
1區p型濾光層的材料為alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；
2區i型光敏吸收層的材料為alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)；
3區p型電荷層的材料為alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)；
4區i型倍增層的材料為alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n，其中，0≤w≤1,0≤x≤1,0≤w+x≤1，0≤y≤1,0≤z≤1,0≤y+z≤1，alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n兩種材料周期性交替設置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁帶寬度小於alygazin(1-y-z)n的禁帶寬度；
5區n型層的材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)。
其中，4區i型倍增層的設置可以與現有的超晶格雪崩探測器相同，其目的是為了發生離化碰撞，達到電子倍增的效果，此處不再贅述。
當然，探測器的其他附加層次材料的選取也可以採用algainn四元合金。比如:
襯底的材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；
低溫緩衝層的材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)。
其中，襯底可以為異質襯底或同質襯底，比如藍寶石、矽單晶、尖晶石、碳化矽、氧化鋅、矽上生長氧化鋁複合襯底、矽上生長氮化鋁複合襯底、矽上生長氧化鋅複合襯底、gan、aln等。
另外，低溫緩衝層和5區n型層的厚度通常為1～3μm，4區i型倍增層的周期數為1～100之間，勢壘或勢阱的寬度為1～100nm；3區電荷層的厚度為1nm～3μm；2區光敏吸收層的厚度為1nm～3μm；1區p型濾光層的厚度為10nm～3μm。
通過本實施例一的方案，由於1區p型濾光層為alagabin(1-a-b)n，2區i型光敏吸收層為alcgadin(1-c-d)，兩種並非同一材料，形成了異質結，並且alagabin(1-a-b)n的禁帶寬度大於alcgadin(1-c-d)的禁帶寬度。這樣，當光從p型濾光層入射時，p型濾光層起到濾波的作用，i型光敏吸收層只吸收合適波長的光。此後，載流子經過p型電荷層到達i型倍增層，引發離化碰撞，產生電流，從而成功進行光的探測。正是由於本實施例將p型濾光層和i型光敏吸收層形成了異質結，設置了其合適的禁帶寬度，從而使探測器可以對光可以有選擇性地進行探測。
實施例二
本實施例製備一種紫外窄帶吸收超晶格雪崩探測器，需要對365nm的紫外光進行探測。假設本實施例利用藍寶石作為襯底，採用金屬有機化合物化學氣相沉澱(mocvd)方法，三甲基鎵(tmga)作為鎵源，高純度nh3作為氮源，矽烷作n型摻雜劑。
圖6是本實施例方法流程圖，圖7是利用本實施例製備的半導體光探測器。如圖6和圖7所示，本實施例包括：
步驟601：在襯底上生長20nm的n型gan低溫緩衝層。
本實施例材料採用algainn四元合金，記作alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的組分均為0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此四元合金這裡簡記為gan。下述關於材料的簡記方法與此相同，不再贅述。
步驟602：在上述低溫緩衝層上生長一層3μm的n型層gan，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為5區n型層，其材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的組分均為0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此這裡簡記為gan。
步驟603：在n型層gan上生長20周期的gan和aln超晶格倍增區作為光生載流子的i型倍增層(雪崩放大區)，其中gan為10nm，aln為20nm。
本步驟生長的為4區i型倍增層，材料為alwgaxin(1-w-x)n(0≤w≤1,0≤x≤1,0≤w+x≤1)和alygazin(1-y-z)n(0≤y≤1,0≤z≤1,0≤y+z≤1)，其中，w＝0,x＝1,y＝1,z＝0。alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n兩種材料輪流交替設置，alwgaxin(1-w-x)n的禁帶寬度小於alygazin(1-y-z)n的禁帶寬度。
步驟604：利用二茂鎂作p型摻雜劑，在i型倍增層上生長一層16nm的p型電荷層gan，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為3區p型電荷層，也即過渡層。這裡，過渡層的材料為alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)，其中e＝0,f＝1,1-e-f＝0。
步驟605：在p型電荷層上生長一層300nm的i型gan的365nm紫外光敏吸收層。
本步驟生長的為2區i型光敏吸收層，材料為alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)，其中，c＝0,d＝1,1-c-d＝0。
步驟606：在光敏吸收層上生長一層100nm的p型al0.1ga0.9n濾光層，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為1區p型濾光層，材料為alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)，其中，a＝0.1,b＝0.9,1-a-b＝0。
實際應用中，完善地製備探測器還需要刻蝕臺面、沉積電極以及鈍化等步驟。比如在本實施例中，可以使用感應耦合等離子體(icp)刻蝕技術在表面刻出深度為1μm的臺面；使用電子束蒸發(eb)技術在p型層上沉積一層ni/au電極，在n型層沉積一層cr/au電極；使用pecvd技術在檯面上沉積200nm的sio2鈍化層。上述步驟均與現有技術相同，此處不再贅述。
從本實施例二可以知道，1區p型濾光層為100nm的p型al0.1ga0.9n，2區為300nm的i型gan的365nm紫外光敏吸收層，兩種材料完全不一樣，構成異質結，前者禁帶寬度大於後者。這樣，大於365nm的光入射時，1區的濾光層將其吸收，光生載流子快速發生熱弛豫而損耗，無法形成有效輸運。同時，遠小於365nm的光由於能量太低，無法被1區或以下的2區吸收。只有波長在於365nm紫外光才適合透過1區被2區的吸收層吸收，產生載流子。因此，本實施例二的1區和2區形成的異質結可以濾除不必要的光，只有365nm的紫外光才對探測器起作用，從而成功探測出365nm的紫外光。
實施例三
本實施例需要製備一種綠光窄帶吸收超晶格雪崩探測器，需要對550nm的綠光進行探測。假設本實施例選擇h-sic作為生長gan材料的襯底；採用mbe方法，矽作n型摻雜劑。
圖8是本實施例製備方法流程圖，圖9是本實施例製備的探測器結構示意圖。如圖8和圖9所示，本實施例包括：
步驟801：在襯底上生長20nm的n型gan低溫緩衝層。
本實施例材料採用algainn四元合金，記作alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的組分均為0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此四元合金這裡簡記為gan。
步驟802：在上述低溫緩衝層上生長一層3μm的n型gan，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為5區n型層，其材料為alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的組分均為0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此這裡簡記為gan。
步驟803：在n型gan層上生長一層50周期的gan和aln超晶格倍增區作為光生載流子的雪崩放大區，其中gan為30nm，aln為50nm。
本步驟生長的為4區i型倍增層，材料為alwgaxin(1-w-x)n(0≤w≤1,0≤x≤1,0≤w+x≤1)和alygazin(1-y-z)n(0≤y≤1,0≤z≤1,0≤y+z≤1)，其中，w＝0,x＝1,y＝1,z＝0。alwgaxin(1-w-x)n和alygazin(1-y-z)n兩種材料周期性交替設置，alwgaxin(1-w-x)n的禁帶寬度小於alygazin(1-y-z)n的禁帶寬度。
步驟804：使用鎂作p型摻雜劑，在i型倍增層上沉積一層16nm的p型電荷層in0.2ga0.8n，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為3區p型電荷層，也即過渡層。這裡，過渡層的材料為alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)，其中e＝0,f＝0.8,1-e-f＝0.2。
步驟805：在p型過渡層上沉積一層300nm的i型in0.31ga0.69n光敏吸收層。
本步驟生長的為2區i型光敏吸收層，材料為alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)，其中，c＝0,d＝0.69,1-c-d＝0.31。
步驟806：在光敏吸收層上生長一層100nm的p型濾光層in0.25ga0.75n，摻雜濃度約為1019cm-3。
本步驟生長的為1區p型濾光層，材料為alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)，其中，a＝0,b＝0.75,1-a-b＝0.25。
實際應用中還需要製作臺面、電極等步驟，在本實施例中可以使用感應耦合等離子體(icp)刻蝕技術在表面刻出深度為1μm的臺面；使用電子束蒸發(eb)技術在p型層上沉積一層ni/au電極，在n型層沉積一層cr/au電極；使用pecvd技術在檯面上沉積200nm的sio2鈍化層。上述步驟均與現有技術相同，此處不再贅述。
從本實施例三可以知道，1區p型濾光層為100nm的p型in0.25ga0.75n，2區為300nm的i型in0.25ga0.75n光敏吸收層，兩種材料完全不一樣，構成異質結，前者禁帶寬度大於後者。這樣，大於550nm的光入射時，1區的濾光層將其吸收，光生載流子快速發生熱弛豫而損耗，無法形成有效輸運。同時，遠小於550nm的光由於能量太低，無法被1區或以下的2區吸收。只有波長在於550nm綠光才適合透過1區被2區的吸收層吸收，產生載流子。因此，本實施例三的1區和2區形成的異質結可以濾除不必要的光，只有550nm的綠光才對探測器起作用，從而成功探測出550nm的綠光。
本發明提供了一種半導體光探測器，將p型濾光層和i型吸收層設置為異質結，前者的禁帶寬度大於後者，且p型濾光層作為光入射的層。由於p型濾光層的禁帶寬度大於i型吸收層的禁帶寬度，可以形成過濾窗口，只有符合要求的光才能被吸收層吸收，產生載流子，從而成功探測出相應波長的光。需要強調的是，本發明實施例僅提供了幾種具體的實施方式，只要半導體光探測器符合pipin結構，包含本發明實施例所述的5個區域，且p型濾光層和i型濾光層形成異質結的所有探測器及其製備方法都包含在本發明保護範圍之內。因此，上述幾種優化的實施例並不用於限制本發明的保護範圍。
以上所述對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。