一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法。

背景技术：

自第一根光纤问世以来，以光子为传输载体的光纤通信以其容量大、重量轻、价格便宜、抗电磁干扰、抗腐蚀能力强等多种优点，得到越来越多人的青睐，使其在众多的应用中开始逐步取代以电子为传输载体的通信方式。随着10Gbit/s的光纤通信系统商业化，40Gbit/s的光纤通信系统得以实现，100Gbit/s的光纤通信系统也成为下一代通信系统的理想选择。

在光纤通信系统的发展中，光电探测器作为一个不可或缺的部件，其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着决定性作用。先前的光探测器，因为要检测弱的光信号，所以其必须要求有很好的灵敏性，高速性能也同等重要；而现在，由于在探测器前面放置了光放大器，光探测器对灵敏度的要求已不是关键，但是高光功率限制了高速特性，因此新的挑战是设计出在高光功率下仍能有高速特性的光探测器。因此，应用于高速光纤通信系统的光探测器，其性能的优劣要从高速饱和输出特性和响应带宽两个方面来衡量。对于传统的PIN光探测器，由于受到空间电荷效应的限制，很难在高电流密度条件下保持高速响应，带宽和响应度之间相互制衡。

为了解决问题，提出了紫外单行载流子光电探测器，这种探测器只采用高速电子作为有源载载流子，并且电子在集结层的过冲速度非常高，减少了空间电荷，从而使其相比较普通的PIN光探测器具有更高的工作电流密度，最终使其同时实现高速和高速饱和输出性能。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、火焰探测，光通信、紫外光源的校准以及天文学研究。在上述应用中，需要解决的一个关键技术问题是对微弱紫外光信号甚至单光子的检测。这是由于空气对紫外光的吸收很强烈，紫外光在大气中衰减很快，到达探测端的强度很低。对于微弱紫外光信号，通常采用具有增益的光电倍增管PMT或者半导体雪崩光电二极管APD来进行检测。光电倍增管PMT尽管具有高增益和低噪声，但是其体积大且玻璃外壳易碎，同时还需要很高的电源功率。

目前，最常用的紫外光电探测器是基于Si材料的光电二极管，Si材料是晶体质量最高的材料。这是因为Si中的电子和空穴碰撞电离产生电子空穴对的能力差别最大，可以通过设计器件只让电子这一种载流子发生雪崩。但是，Si和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性：首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，通常是SiO2钝化层，会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法，只采用电子作为有源载流子的高速、高速饱和输出的紫外光电二极管，使得紫外光电二极管具备了高响应速率和高速饱和电流，同时获得了高量子效率，并减少了紫外光电二极管的损耗，并且制作工艺简单、成本低、易于实现。

根据本发明的一个方面，提供一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管，包括衬底，所述衬底上依次生长有n型AlGaN外延层、p型AlGaN外延层和p型GaN接触层；所述n型AlGaN外延层上设有n型接触电极，所述p型GaN接触层上设有p型接触电极。

作为优选的，所述衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底为晶格是(0001)的氧化铝的单晶。

作为优选的，所述衬底和n型AlGaN外延层间生长有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层厚度为4000nm。

作为优选的，所述n型AlGaN外延层包括第一n型AlGaN收集层和第二n型AlGaN收集层；所述n型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.45，Ga组分为0.55。

作为优选的，所述第二n型AlGaN收集层为n型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度为5x10¹⁸原子/cm³。

作为优选的，所述p型AlGaN外延层依次包括p型AlGaN过渡层、p型AlGaN吸收层和p型AlGaN电子阻挡层，所述p型AlGaN过渡层连接n型AlGaN外延层，所述p型AlGaN电子阻挡层连接p型GaN接触层；所述p型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.38，Ga组分为0.62。

作为优选的，所述p型AlGaN过渡层和p型AlGaN吸收层为p型掺杂，掺杂材料为Si，p型AlGaN过渡层底部掺杂浓度为2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN过渡层顶部和p型AlGaN吸收层底部掺杂浓度为5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收层顶部掺杂浓度为5x10¹⁸原子/cm³。

一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底正面生长AlN缓冲层、n型AlGaN外延层、p型AlGaN外延层和p型GaN接触层；

S2、制作n型接触电极和p型接触电极。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：在1000～1300℃生长温度下，通过MOCVD工艺在衬底表面依次生长AlN缓冲层、n型AlGaN外延层、p型AlGaN外延层和p型GaN接触层，所述n型AlGaN外延层包括第一n型AlGaN收集层、第二n型AlGaN收集层，所述p型AlGaN外延层包括p型AlGaN过渡层、p型AlGaN吸收层、p型AlGaN电子阻挡层。

作为优选的，其特征在于，所述步骤S1中才用MOCVD生长外延层，生长温度为1000～1300℃。

作为优选的，其特征在于，所述步骤S2具体包括:

S21、经过光刻处理后，通过磁控溅射在第一n型AlGaN收集层上镀Pt-Ti-Pt-Au制作出环形p型接触电极；

S22、对p型GaN和p型AlGaN材料进行腐蚀，制作出直径为40μm的圆形上台面，经过光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极，并腐蚀出60μm的圆形下台面；

S23、光刻处理，并通过磁控溅射镀Ti-Au制作正负金属电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管，包括依次设置的衬底、n型AlGaN收集层、p型AlGaN吸收层和p型GaN接触层；所述n型AlGaN收集层上设有n型接触电极，所述p型AlGaN上设有p型接触电极；只采用电子作为有源载流子的高速、高速饱和输出，使得紫外光电二极管具备了高响应速率和高速饱和电流，同时获得了高量子效率，并减少了紫外光电二极管的损耗等特点；而且制作工艺简单、成本低、易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例的光电二极管的结构框图；

图2为本发明实施例的光电二极管制作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了一种一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管(Ultraviolet-Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UUTC-PD)的结构框图，包括衬底，所述衬底上依次生长有n型AlGaN外延层、p型AlGaN外延层和p型GaN接触层；所述n型AlGaN外延层上设有n型接触电极，所述p型GaN接触层上设有p型接触电极。

作为优选的，所述衬底为蓝宝石、SiC或者Si衬底，在本实施例中，才用蓝宝石衬底，有利于与其他有源或者无源光器件进行集成，所述蓝宝石衬底是晶格为(0001)的氧化铝的单晶。

作为优选的，所述衬底和n型AlGaN外延层间生长有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层厚度为4000nm。

作为优选的，所述n型AlGaN外延层包括第一n型AlGaN收集层(即图中的n-AlGaN次收集层)和第二n型AlGaN收集层(即图中的n-AlGaN收集层)；所述第一n型AlGaN收集层厚度为1200nm，第二n型AlGaN收集层的厚度为300nm，所述n型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.45，Ga组分为0.55。

作为优选的，所述第二n型AlGaN收集层为n型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度为5x10¹⁸原子/cm³。

作为优选的，所述p型AlGaN外延层依次包括p型AlGaN过渡层、p型AlGaN吸收层和p型AlGaN电子阻挡层，所述p型AlGaN过渡层连接n型AlGaN外延层，所述p型AlGaN电子阻挡层连接p型GaN接触层；所述p型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.38，Ga组分为0.62。

在本实施例中，p型AlGaN过渡层的厚度为30nm，p型AlGaN吸收层的厚度为900nm，p型AlGaN电子阻挡层的厚度为1200nm，p型GaN的厚度为150nm。

作为优选的，所述p型AlGaN过渡层和p型AlGaN吸收层为p型掺杂，掺杂材料为Si，p型AlGaN过渡层底部掺杂浓度为2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN过渡层顶部和p型AlGaN吸收层底部掺杂浓度为5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收层顶部掺杂浓度为5x10¹⁸原子/cm³，整个p型AlGaN过渡层和p型AlGaN吸收层的掺杂浓度从下至上线性增加。

图2示出了一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底正面生长依次生长厚度为4000nm的AlN缓冲层、厚度为1200nm的第一n型AlGaN收集层、厚度为300nm的第二n型AlGaN收集层、厚度为30nm的p型AlGaN过渡层、厚度为900nm的p型AlGaN吸收层、厚度为1200nm的p型AlGaN电子阻挡层、厚度为150nm的p型GaN接触层；

S2、在第一n型AlGaN收集层上制作n型接触电极，在p型GaN接触层上制作p型接触电极。

作为优选的，所述步骤S1中才用MOCVD生长外延层，生长温度为1000～1300℃。

作为优选的，所述步骤S2具体包括:

S21、通过湿法腐蚀方法进行器件的制备，经过光刻处理后，通过磁控溅射在第一n型AlGaN收集层上镀Pt-Ti-Pt-Au制作出环形p型接触电极；

S22、对p型GaN和p型AlGaN材料进行腐蚀，制作出直径为40μm的圆形上台面，经过光刻处理和磁控溅射制作出n型接触电极，并腐蚀出60μm的圆形下台面；

S23、光刻处理，并通过磁控溅射镀Ti-Au制作金属(正负)电极，使用聚酰亚胺对器件进行钝化处理，得到高速高速饱和单行载流子紫外光电二极管。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管(UUTC-PD)结构，包括依次设置的衬底、n型AlGaN收集层、p型AlGaN吸收层和p型GaN接触层；所述n型AlGaN收集层上设有n型接触电极，所述p型AlGaN上设有p型接触电极；只采用电子作为有源载流子的高速、高速饱和输出，使得紫外光电二极管具备了高响应速率和高速饱和电流，同时获得了高量子效率，并减少了紫外光电二极管的损耗等特点；而且制作工艺简单、成本低、易于实现。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。