单片集成紫外‑红外双色雪崩光电二极管及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种单片集成紫外-红外双色雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术：

双色探测，甚至多色探测是未来探测技术发展的主要方向之一，其在气象监测、火灾预警、导弹制导等民用和军用领域均有重要应用价值。单一波长的探测方式容易受到背景辐射、干扰信号等影响，如果探测器能同时具有紫外-红外双波段的独立探测能力，则可以大大增加探测的可靠性、鲁棒性和精确性。特别地，在一些复杂应用场景中，到达探测器的光信号非常微弱，这就要求探测器在两个波段能同时具有更高的响应度，即希望探测器能工作于增益模式。

光电倍增管（PMT）在紫外波段具有极高的增益和低的噪声，但对红外波段几乎不响应，而且相对于半导体探测器具有体积大、易脆的缺点。

目前，在半导体增益型探测器中，硅基雪崩光电二极管的应用最为广泛，但受硅材料禁带宽度的制约，一方面在紫外光照射下容易老化，一方面对波长长于1100 nm的光波基本不响应，也不是理想的紫外-红外双色雪崩探测器件。

GaN基宽禁带半导体材料物理和化学性质非常稳定，且其禁带宽度刚好在紫外波段附近，是较为理想的制作紫外探测器件的材料。另外，随着材料外延技术的进步，异质结材料结构的成功制备使得氮化物材料探测红外光波成为可能。因此，采用氮化物材料来发展单片集成紫外-红外双色探测技术是当前的研究热点。现有的GaN基紫外-红外双色探测器件主要是基于体材料带间跃迁（紫外探测）与导带带阶的内光电子发射（红外探测）或子带能级跃迁（红外探测）相结合的光电导模式，其工作原理限制了器件不能工作于雪崩探测模式。在传统的GaN基吸收倍增分离式雪崩光电二极管中，吸收区采用体材料，只能够对紫外光产生响应。因此，若将吸收区的体材料换成周期性异质结材料结构，利用带间跃迁实现对紫外光的探测，利用导带内子带能级间跃迁实现红外光探测，则可同时实现紫外-红外双波段的雪崩探测。

技术实现要素：

本发明提供了一种单片集成紫外-红外双色雪崩光电二极管及其制备方法，解决了目前单片集成双色探测器件中不能同时实现双波段雪崩探测的问题，能有效保证在两个波段具有高的响应度。

本发明的技术方案如下：

单片集成紫外-红外双色雪崩光电二极管，其特征在于，自下至上包括：衬底、缓冲层、下电极接触层、本征倍增层、电荷层、周期性异质结构吸收层和上电极接触层。

所述衬底可以为蓝宝石（Al₂O₃）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）、硅（Si）、氧化锌（ZnO）等材料中的任意一种，用于探测器材料结构生长。

所述缓冲层生长在衬底之上，然后依次生长下电极接触层、本征倍增层、电荷层和上电极接触层，所述缓冲层、下电极接触层、本征倍增层、电荷层和上电极接触层所选的材料为铝镓氮（AlGaN）、铟镓氮（InGaN）、铟铝氮（InAlN）、铟铝镓氮（InAlGaN）、碳化硅（SiC）中的一种或不同种。

所述缓冲层的厚度为0.01 µm至10 µm，用于提高生长材料的质量。

所述下电极接触层的n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.1 µm至10 µm，用于制作n型欧姆接触电极；

所述本征倍增层的厚度为0.05 µm至1.0 µm，为光生载流子发生雪崩倍增的区域；

所述电荷层的p型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.01 µm至0.15 µm，用于吸收层和倍增层电场的调节；

所述周期性异质结构吸收层采用Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN材料系，或者采用In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN、InGaN/AlGaN材料系，其中0≤x<y≤1，形成周期数为1至500的量子阱或超晶格的结构，电子从导带基态能级到激发态能级的跃迁对应于红外光子的吸收，从价带到导带的跃迁对应于紫外光子的吸收。Al_xGa_1-xN或In_yGa_1-yN材料n型掺杂，掺杂浓度在5×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.001 µm至0.02 µm，Al_yGa_1-yN或In_xGa_1-xN厚度为0.001 µm至0.02 µm；

所述上电极接触层采用p型掺杂的Al_zGa_1-zN，0≤z≤1，掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.05 µm至0.2 µm，用于制作p型欧姆接触电极。

制备单片集成紫外-红外双色雪崩光电二极管的方法，其步骤如下：

（1）在衬底上生长缓冲层；

（2）在缓冲层上生长下电极接触层；

（3）在下电极接触层上生长本征倍增层；

（4）在本征倍增层之上生长电荷层；

（5）在电荷层之上生长周期性异质结构吸收层；

（6）在周期性异质结构吸收层之上生长上电极接触层；

（7）在下电极接触层上制作n型欧姆接触电极，在上电极接触层之上制作p型欧姆接触电极，形成双电极控制器件，或者，在电荷层之上增加另一p型欧姆接触电极形成三电极控制器件；

（8）为了实现对近红外光的耦合，将制作完成后的器件的衬底一侧面制成斜面或者在制作p型欧姆接触电极之前在上电极接触层上制作一维光栅或二维光栅。

在本发明的器件工作时，将在p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极之间施加较高的反向电压。由于周期性异质结构吸收层位于p型上电极接触层和p型电荷层之间，施加在其上面的电场强度远小于位于p型电荷层和n型下电极接触层之间的本征倍增层，理论上电子能在本征倍增层中发生碰撞离化的情况下，周期性异质结构吸收层基态能级上的电子并不会由于电场的作用而被耗尽。在有红外光入射时，周期性异质结构吸收层基态能级上的电子跃迁到激发态能级上，然后光生电子直接从激发态能级迁移到本征倍增层中发生碰撞离化，实现对红外光子的雪崩探测。其中，周期性异质结构吸收层内基态能级和激发态能级的能量差将决定所吸收红外光子的波长。在紫外光入射时，周期性异质结构吸收层量子阱（或量子势垒）内的电子从价带跃迁导带中，产生的光生电子再迁移到本征倍增层中发生碰撞离化，实现对紫外光子的雪崩探测。其中，吸收紫外光子的长波限主要受限于吸收层材料的禁带宽度。基于本发明所描述的器件，可以同时实现紫外-红外双色雪崩探测，提高在两个波段的响应灵敏度。

特别的，为了防止吸收层基态能级上的电子在大反向偏压和氮化物材料极化电场的共同作用下被耗尽，从而影响器件在红外波段的工作，还可将器件制作成双台面结构以形成三电极控制器件，对周期性异质结构吸收层和本征倍增层施加不同的电场分别调控其能带结构。具体的制作方法是将大台面结构刻蚀到下电极接触层，小台面结构以刻蚀到电荷层为宜，随后在台面区域以外（下电极接触层）制作n型欧姆接触电极，在小台面之上（上电极接触层）制作第一p型欧姆接触电极，在露出的电荷层之上制作第二p型欧姆接触电极。通过在第一和第二p型欧姆接触电极间施加较小的电压差控制周期性异质结构吸收层的能带结构基本处于平带状态，以保证基态能级上有足够的电子填充，在第二p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极间施加较大的反向电压，利于光生载流子发生雪崩倍增效应。

为进一步说明本发明的特征和作用，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明二极管在反向工作电压下的能带结构示意图及载流子输运示意图。

图2 为实施例1中二极管的截面结构示意图。

图3为实施例1二极管的周期性异质结构吸收层的导带能带结构示意图。

图4为实施例2中二极管的截面结构示意图。

图5为实施例2二极管的周期性异质结构吸收层的导带能带结构示意图。

其中，101－下电极接触层，103－本征倍增层，105－电荷层，107－周期性异质结构吸收层，109－上电极接触层，201－衬底，203－缓冲层，205－n型下欧姆接触电极，207－p型上欧姆接触电极，209－第一p型欧姆接触电极，211－第二p型欧姆接触电极，301－吸收层电子基态能级波函数，303－吸收层电子激发态能级波函数。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，对器件工作状态下的能带结构及载流子动力学过程进行展示，其中101为下电极接触层，103为本征倍增层，105为电荷层，107为周期性异质结构吸收层，109为上电极接触层。在工作状态下，需要给器件施加较大的反向偏压，这时在本征倍增层中将产生大的电势差，该层的电场强度远大于其他层的电场强度，为光生载流子发生碰撞离化提供足够的动能。同时，周期性异质结构吸收层的能带基本处于平带状态，以保证基态能级被电子有效填充。在红外光激发下，周期性异质结构吸收层基态能级上的电子跃迁到激发态能级成为光生电子，光生电子在电场的作用下通过共振隧穿进入电荷层，最后迁移到本征倍增层中发生碰撞离化，完成对红外光子的雪崩探测。吸收红外光子的能量由基态能级和激发态能级的能量差决定。同理，在紫外光的激发下，异质结量子阱和量子势垒中价带内的电子将被激发到导带上，形成光生电子，光生电子最终再迁移到本征倍增层中完成对紫外光子的雪崩探测。紫外光的峰值响应波长和响应谱半宽一方面与材料的禁带宽度有关，另外还与光生电子在导带内不同能量分布上的输运效率有关。

如图2所示，本实例所述的器件结构的截面示意图，该结构利用分子束外延技术（MBE）在蓝宝石衬底上生长而成。自衬底201向上依次为缓冲层203、下电极接触层101、本征倍增层103、电荷层105、周期性异质结构吸收层107和上电极接触层109，具体的制备方法如下：

（1）先在蓝宝石衬底上生长1 µm 的AlN缓冲层；

（2）在AlN缓冲层上接着生长800 nm的n型GaN下电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（3）在n型GaN下电极接触层上再生长300 nm的GaN倍增层，即雪崩区；

（4）在GaN倍增层之上生长50 nm的p型GaN电荷层，p型掺杂浓度为5×10¹⁷ cm^-3；

（5）在p型GaN电荷层之上生长50个周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）异质结构吸收层，两种薄层材料交替生长并保持严格周期性，GaN层n型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁹ cm^-3；

（6）在50个周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）异质结构吸收层上再生长100 nm的p型GaN上电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（7）采用标准的光刻工艺、ICP刻蚀工艺将生长完成后的材料样品的部分区域刻蚀至n型GaN下电极接触层，形成直径为数十微米至数百微米的圆形台面结构；

（8）采用电子束蒸发技术在圆形台面结构之上沉积厚度为2.5 nm/5 nm的Ni/Au透明电极，然后在刻蚀后露出的n型GaN表面采用溅射的方法沉积厚度为20 nm/300 nm的Ti/Au电极；

（9）制作电极后的样品在空气氛围中600℃退火5 min；

（10）采用等离子体化学气相沉积技术（PECVD）在样品表面沉积300 nm SiO₂钝化保护层，采用反应离子刻蚀（RIE）技术将金属电极上的SiO₂钝化层刻蚀掉；

（11）最后将衬底的底面一侧磨成45°角。

器件工作时，紫外光从正上方入射，经过Ni/Au透明电极和p型GaN上电极接触层到达周期性异质结构吸收层，发生带间吸收。对于红外光，将从45°斜面入射，以满足子带跃迁的偏振选择条件，即入射光要有垂直于外延生长平面的电场分量。

如图3所示，为计算得到的周期性异质结构吸收层（只给出6个周期）导带示意图和电子波函数分布，其中301为基态波函数分布，303为激发态波函数分布。根据计算结果，基态能级和激发态能级的能量差约为0.8 eV，意味着将对波长为1.55 µm附近的近红外产生响应。对于紫外光，根据导带基态能级和价带基态能级的计算结果，其长波吸收限在320 nm附近，即对波长长于320 nm的光波基本不响应。

实施例2

如图4所示，为实施例2所述的器件结构的截面示意图，其中201为衬底，203为缓冲层，101为下电极接触层，103为本征倍增层，105为电荷层，107为周期性异质结构吸收层，109为上电极接触层，205为下欧姆接触电极，209为第一p型欧姆接触电极，211为第二p型欧姆接触电极，材料生长采用金属有机化合物气相沉积技术（MOCVD）。

具体的制备方法如下：

（1）首先在GaN单晶衬底上生长0.5 µm 的GaN缓冲层；

（2）然后生长600 nm的n型GaN下电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（3）再在n型GaN下电极接触层上生长200 nm的GaN倍增层，即雪崩区；

（4）在GaN倍增层之上生长150 nm的p型Al_0.21Ga0_.79N电荷层，p型掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3；

（5）在p型Al_0.21Ga0_.79N电荷层之上再生长30个周期、厚度为4 nm/3 nm的GaN/Al_0.5Ga0_.5N异质结构吸收层，两种薄层材料交替生长并保持严格周期性，GaN层n型掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁹ cm^-3；

（6）在30个周期、厚度为4 nm/3 nm的GaN/Al_0.5Ga0_.5N异质结构吸收层之上再生长100 nm的p型Al_0.21Ga_0.79N上电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3，为了改善p型电极的欧姆接触特性，还可以再生长20 nm的p型重掺杂GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（7）采用标准的光刻工艺、ICP刻蚀工艺将生长完成后的材料样品的部分区域刻蚀至n型GaN下电极接触层，形成直径为100 µm的圆形台面结构；

（8）以SiO₂为掩膜，采用ICP刻蚀技术将圆形台面上直径从50-100 µm的圆环区域刻蚀至电荷层，整体形成小台面直径为50 µm，大台面直径为100 µm的双台面结构；

（9）采用全息曝光技术和ICP刻蚀技术在小台面上表面制作出一维或二维光栅结构；

（10）采用电子束蒸发技术在小台面之上沉积厚度为200 nm的氧化铟锡（ITO）透明电极（即第一p型欧姆接触电极），在电荷层上沉积厚度为30 nm/300 nm的Ni/Au第二p型欧姆接触电极，然后再在刻蚀形成的n型GaN表面沉积厚度为20 nm/300 nm的Cr/Au电极；

（11）制作电极后的样品在氧气氛围中500℃退火10 min；

（12）采用PECVD技术在样品表面沉积300 nm SiN_x钝化保护层，采用RIE技术将金属电极上的SiN_x钝化层刻蚀掉。

在所述材料结构中，电荷层和上电极接触层均采用Al_0.21Ga_0.79N材料，这样选择的目的是为了使其晶格常数与吸收层整体结构的晶格常数基本匹配，从而避免在吸收层中产生极化电场，保证其处于平带状态。器件工作时，紫外光和红外光均从正上方入射，经过ITO透明电极和上电极接触层到达周期性异质结构吸收层，分别发生带间吸收和子带间吸收。光栅的作用是为了让红外光衍射，产生能够激励子带跃迁的垂直于外延生长平面的电场分量。由于光栅结构只针对红外光，其尺寸远大于紫外光的波长，因此基本对紫外光的传输不会产生影响。器件工作采用三个电极控制，施加在n型欧姆接触电极、第一p型欧姆接触电极和第二p型欧姆接触电极上的电压分别记为V_n、V_p1、和V_p2，通过V_n和V_p2的相对大小调控倍增层的能带结构，通过V_p1和V_p2的相对大小调控吸收层的能带结构。为了使吸收层的光生电子能有效输运到倍增层中且基态能级上的电子不被耗尽，施加的V_p1应略小于V_p2，同时为了在倍增层产生足够的大的电场，V_p2应远小于V_n。

如图5所示，为计算得到的该实施例器件周期性异质结构吸收层（只给出4个周期）导带示意图和电子波函数分布，其中301为基态波函数分布，303为激发态波函数分布。根据计算结果，基态能级和激发态能级的能量差约为0.27 eV，则器件的峰值红外响应波长在4.6 µm附近。对于紫外光，根据导带基态能级和价带基态能级的计算结果，其长波吸收限在340 nm附近，即对波长长于340 nm的光波基本不响应。