AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器及其制备方法与流程

技术领域

本发明涉及紫外线探测领域，具体涉及一种AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器及其制备方法。

背景技术：

紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有机化合物的吸收线在紫外光谱范围)，火焰探测(包括火灾报警，导弹预警和制导，燃烧监测等)，光通信(特别是卫星间采用波长小于280nm的紫外光进行通信)，紫外光源的校准(仪器，紫外线光刻等)，以及天文学研究。在这些应用中往往需要探测极微弱的紫外线，需要高灵敏探测器来实现探测任务。

其中，最常用的紫外高灵敏光电探测器件是紫外光电倍增管(PMT)和基于半导体材料的雪崩探测器光电二极管，紫外PMT具有高增益、低噪声和线性可控的优点，但是它是真空器件，体积大，玻璃外壳易碎，所以应用比较受限。半导体雪崩探测器体积小，易于集成，但是增益不高、噪声大，并且往往无法稳定工作在线性可控模式下，应用也比较受限。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器及其制备方法，本发明提供的紫外探测器，不但具有体积小易于集成的优点，更为重要的是还具有线性可控、高增益和低噪声的优点。

第一方面，本发明提供一种AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器，所述AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器包括：衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；

所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；

所述i型超晶格倍增层为AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

进一步地，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层的材料均为Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

进一步地，所述n型层的厚度为1～10μm。

进一步地，所述i型超晶格倍增层的周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。

进一步地，所述i型光敏吸收层的厚度为10～1000nm。

进一步地，所述p型层的厚度为10～1000nm。

第二方面，本发明还提供了一种上面所述的探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1.在衬底上生长n型层；

S2.在所述n型层上生长i型超晶格倍增层；

S3.在所述i型超晶格倍增层上生长i型光敏吸收层；

S4.在所述i型光敏吸收层上生长p型层；

S5在所述p型层上设置p型欧姆电极，在所述n型层上设置n型欧姆电极；

其中，步骤S2中所述i型超晶格倍增层为AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

进一步地，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层材料为Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

由上述技术方案可知，本发明提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器，通过设置AlN/GaN超晶格结构，大大提高了探测器的检测灵敏度。这是因为：AlN/GaN这种特殊的超晶格结构不但利用导带带阶大和价带带阶小的材料特点来实现大的电子空穴离化系数之比，而且更为关键的是，在AlN和GaN中，存在很深的导带Γ能谷(2eV)，同时AlN/GaN异质结中存在2-eV的导带带阶，这样，在AlN/GaN超晶格中，电子可以在AlN和GaN这两种材料的Γ谷中连续无阻碍输运。由于电子一直处于Γ谷，受到的散射很低，从电场获得能量可以高效积累。在电子从AlN返回GaN时重新释放势能，此时能量将超过两种材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁带宽度，可以高效率的触发离化碰撞。整个输运过程中电子从电场获得的能量有效地用于发生离化碰撞，这样能够达到降低热化损耗的目的，而降低热化损耗可以使得电子发生离化碰撞的效率大大提高，可以在很低的电场下发生高效级联倍增。此外，由于电场很低，空穴有效质量又很大，受到散射非常强烈，根本无法发生离化碰撞，因此只有电子能够触发离化倍增，倍增过程单向进行，不形成正反馈机制，这样从宏观角度上看，使得探测器的响应电流能够与入射光强呈线性的正比例关系。而传统雪崩探测器因依靠正反馈机制而形成高增益，故传统雪崩探测器的响应电流无法反应入射光的强度。而本发明的高增益效果不依赖于正反馈机制，故可以使得探测器的响应电流与入射光强呈线性的正比例关系，即本发明可使探测器即使在高增益工作状态下依然能保证很好的线性可控特征，可准确感知入射光的强度。综上所述，本发明可提供一种线性可控的高增益和低噪声雪崩探测器来探测弱紫外线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器的制作方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例一提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器的结构示意图，如图1所示，本实施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器包括：

衬底，所述衬底上依次设有n型层、i型超晶格倍增层、i型光敏吸收层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述i型超晶格倍增层为AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

本实施例提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器，通过设置AlN/GaN超晶格结构，大大提高了探测器的检测灵敏度。这是因为：AlN/GaN这种特殊的超晶格结构不但利用导带带阶大和价带带阶小的材料特点来实现大的电子空穴离化系数之比，而且更为关键的是，在AlN和GaN中，存在很深的导带Γ能谷(2eV)，同时AlN/GaN异质结中存在2-eV的导带带阶，这样，在AlN/GaN超晶格中，电子可以在AlN和GaN这两种材料的Γ谷中连续无阻碍输运。由于电子一直处于Γ谷，受到的散射很低，从电场获得能量可以高效积累。在电子从AlN返回GaN时重新释放势能，此时能量将超过两种材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁带宽度，可以高效率的触发离化碰撞。整个输运过程中电子从电场获得的能量有效地用于发生离化碰撞，这样能够达到降低热化损耗的目的，而降低热化损耗可以使得电子发生离化碰撞的效率大大提高，可以在很低的电场下发生高效级联倍增。此外，由于电场很低，空穴有效质量又很大，受到散射非常强烈，根本无法发生离化碰撞，因此只有电子能够触发离化倍增，倍增过程单向进行，不形成正反馈机制，这样从宏观角度上看，使得探测器的响应电流能够与入射光强呈线性的正比例关系。而传统雪崩探测器因依靠正反馈机制而形成高增益，故传统雪崩探测器的响应电流无法反应入射光的强度。而本发明的高增益效果不依赖于正反馈机制，故可以使得探测器的响应电流与入射光强呈线性的正比例关系，即本实施例可使探测器即使在高增益工作状态下依然能保证很好的线性可控特征，可准确感知入射光的强度。综上所述，本实施例可提供一种线性可控的高增益和低噪声雪崩探测器来探测弱紫外线。

另外，本实施例所述AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器中的超晶格结构可以降低器件的雪崩阈值电压，从而降低了器件的击穿概率，也就是说提高了器件的成品率。

为了使AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器的质量得到提高，所述衬底在设置n型层之前，还可设置一层低温缓冲层。

此外，所述所述i型超晶格倍增层除了可以为AlN/GaN超晶格倍增层以外，还可以是AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格倍增层，其中0≤x<y≤1。其原理基本类似，此处不再详述。

此外，所述n型层、i型光敏吸收层和p型层材料可以为Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

所述Al_xGa_1-xN为宽禁带半导体材料，利用Al_xGa_1-xN制作n型层、i型光敏吸收层和p型层，可以使得AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器在室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体材料Al_xGa_1-xN击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。它抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。另外，由于Al_xGa_1-xN属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调，从而有利于制作探测波长可调谐的探测器，并且方便使用能带工程手段获得更好的探测性能。

其中，所述n型层的厚度为1～10μm。

其中，所述i型超晶格倍增层的周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。

其中，所述i型光敏吸收层的厚度为10～1000nm。

其中，所述p型层的厚度为10～1000nm。

图2示出了实施例二提供的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器制备方法的流程图，如图2所示，本实施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器制备方法如下所述。

步骤201：在衬底上生长n型层。

步骤202：在所述n型层上生长i型超晶格倍增层。

步骤203：在所述i型超晶格倍增层上生长i型光敏吸收层。

步骤204：在所述i型光敏吸收层上生长p型层。

步骤205：在所述p型层上设置p型欧姆电极，在所述n型层上设置n型欧姆电极。

其中，步骤202中所述i型超晶格倍增层为AlN/GaN超晶格；所述AlN/GaN超晶格表示AlN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

由此，本实施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器制备方法，通过在n型层上生长i型超晶格倍增层，使得光敏吸收层在吸收紫外光后，在超晶格倍增层发生雪崩。本实施例制备得到的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器，其超晶格倍增层为AlN/GaN超晶格结构，AlN/GaN这种特殊的超晶格结构不但利用导带带阶大和价带带阶小的材料特点来实现大的电子空穴离化系数之比，而且更为关键的是，在AlN和GaN中，存在很深的导带Γ能谷(2eV)，同时AlN/GaN异质结中存在2-eV的导带带阶，这样，在AlN/GaN超晶格中，电子可以在AlN和GaN这两种材料的Γ谷中连续无阻碍输运。由于电子一直处于Γ谷，受到的散射很低，从电场获得能量可以高效积累。在电子从AlN返回GaN时重新释放势能，此时能量将超过两种材料Γ谷深度之和(4eV)，高于禁带宽度，可以高效率的触发离化碰撞。整个输运过程中电子从电场获得的能量有效地用于发生离化碰撞，这样能够达到降低热化损耗的目的，而降低热化损耗可以使得电子发生离化碰撞的效率大大提高，可以在很低的电场下发生高效级联倍增。此外，由于电场很低，空穴有效质量又很大，受到散射非常强烈，根本无法发生离化碰撞，因此只有电子能够触发离化倍增，倍增过程单向进行，不形成正反馈机制，这样从宏观角度上看，使得探测器的响应电流能够与入射光强呈线性的正比例关系。而传统雪崩探测器因依靠正反馈机制而形成高增益，故传统雪崩探测器的响应电流无法反应入射光的强度。而本发明的高增益效果不依赖于正反馈机制，故可以使得探测器的响应电流与入射光强呈线性的正比例关系，即本实施例可使探测器即使在高增益工作状态下依然能保证很好的线性可控特征，可准确感知入射光的强度。综上所述，本实施例可提供一种线性可控的高增益和低噪声雪崩探测器来探测弱紫外线。

下面实施例三至六提供了四种Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN超晶格紫外探测器制备方法，其中，0≤x<y≤1。

实施三提供了一种AIN/GaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器制备方法如下所述。其中，AIN/GaN表示AIN和GaN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格，类似地，后续实施例提到的AIN/AlGaN、GaN/AlGaN和Al_0.2Ga_0.8N/Al_0.5Ga_0.5N都代表同样的含义。

步骤301：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH₃作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在蓝宝石衬底上生长20nm的n型GaN低温缓冲层。所述GaN为Al_xGa_1-xN当x＝0时的材料。

在本步骤中，所述衬底材料为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或Al_xGa_1-xN，其中，0≤x≤1。

步骤302：在所述低温缓冲层上生成一层3μm的n型CaN，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤303：在所述n型层上生长20个周期的AIN(20nm)/GaN(10nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。

在本步骤中，AIN为Al_xGa_1-xN当x＝1时的材料，GaN为Al_yGa_1-yN当y＝0时的材料，所述AIN(20nm)/GaN(10nm)表示AIN和GaN两种不同组元以AIN为20纳米和GaN为10纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

步骤304：在所述超晶格倍增层上生长一层300nm的i型CaN光敏吸收层。

步骤305：在所述i型光敏吸收层上生长一层100nm的p型CaN层，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤306：使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。

步骤307：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层Ni/Au电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。

步骤308：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积200nm的SiO₂钝化层。

在本步骤中，为了减少漏电流，提高探测微弱信号的灵敏度，可以在台面上沉积一层钝化层。

实施四提供了一种AIN/AlGaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。

步骤401：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH₃作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在氧化锌衬底上生长100nm的n型Al_0.4Ga_0.6N低温缓冲层。

步骤402：在所述低温缓冲层上生成一层5μm的n型Al_0.4Ga_0.6N，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤403：在所述n型层上生长30个周期的AlN(30nm)/Al_0.4Ga_0.6N(40nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。

在本步骤中，AIN为Al_xGa_1-xN当x＝1时的材料，Al_0.4Ga_0.6N为Al_yGa_1-yN当y＝0.4时的材料，所述AlN(30nm)/Al_0.4Ga_0.6N(40nm)表示AIN和Al_0.4Ga_0.6N两种不同组元以AIN为30纳米和Al_0.4Ga_0.6N为40纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

步骤404：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层400nm的i型Al_0.4Ga_0.6N光敏吸收层。

步骤405：在所述i型光敏吸收层上生长一层200nm的p型Al_0.4Ga_0.6N层，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤406：使用反应离子(RIE)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。

步骤407：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层ITO透明电极，在所述n型层上沉积一层Ti/Al电极。

步骤408：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积300nm的SiO₂钝化层。

实施五提供了一种GaN/AlGaN超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。

步骤501：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH₃作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在碳化硅衬底上生长200nm的n型Al_0.1Ga_0.9N低温缓冲层。

步骤502：在所述低温缓冲层上生成一层6μm的n型Al_0.1Ga_0.9N，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤503：在所述n型层上生长60个周期的GaN(50nm)/Al_0.1Ga_0.9N(60nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。

在本步骤中，GaN为Al_xGa_1-xN当x＝0时的材料，Al_0.1Ga_0.9N为Al_yGa_1-yN当y＝0.1时的材料，所述GaN(50nm)/Al_0.1Ga_0.9N(60nm)表示GaN和Al_0.1Ga_0.9N两种不同组元以GaN为50纳米和Al_0.1Ga_0.9N为60纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

步骤504：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层500nm的i型Al_0.1Ga_0.9N光敏吸收层。

步骤505：在所述i型光敏吸收层上生长一层300nm的p型Al_0.1Ga_0.9N层，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤506：使用湿法刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。

步骤507：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层ZnO透明电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。

步骤508：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积400nm的SiN₂钝化层。

实施六提供了一种Al_0.2Ga_0.8N/Al_0.5Ga_0.5N超晶格紫外探测器制备方法，如下所示，本实施例的紫外探测器制备方法如下所述。

步骤601：采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术，以三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH₃作为氮源，硅烷做n型掺杂剂，在硅衬底上生长60nm的n型Al_0.5Ga_0.5N低温缓冲层。

步骤602：在所述低温缓冲层上生成一层2μm的n型Al_0.5Ga_0.5N，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤603：在所述n型层上生长90个周期的Al_0.2Ga_0.8N(70nm)/Al_0.5Ga_0.5N(80nm)的i型超晶格倍增层，即超晶格雪崩区。

在本步骤中，Al_0.2Ga_0.8N为Al_xGa_1-xN当x＝0.2时的材料，Al_0.5Ga_0.5N为Al_yGa_1-yN当y＝0.5时的材料，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两种不同组元以Al_0.2Ga_0.8N为70纳米和Al_0.5Ga_0.5N为80纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。

步骤604：使用三甲基铝(TMAl)作铝源，在所述i型超晶格倍增层上生长一层200nm的i型Al_0.5Ga_0.5N光敏吸收层。

步骤605：在所述i型光敏吸收层上生长一层80nm的p型Al_0.5Ga_0.5N层，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

步骤606：使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在从p型层的上表面刻蚀至n型层，形成台面。

步骤607：使用电子束蒸发(EB)技术在所述p型层上沉积一层Ni/Au电极，在所述n型层上沉积一层Cr/Au电极。

步骤608：使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)技术在台面上沉积100nm的苯并环丁烯(BCB)钝化层。

实施例三至六所述的紫外探测器制备方法，可以用于制备图1所示的紫外探测器。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。