一种半导体光探测器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体探测技术，尤其涉及半导体光探测器及其制备方法。

背景技术：

光电探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括微型可见光成像系统、频谱分析系统、化学和生物分析(比如臭氧、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(比如火灾报警、导弹预警、燃烧监测等)，还包括卫星之间进行的光通信、光源校准以及天文学研究等。

越来越多的应用需要探测器具有波长可选择性以及高灵敏度。传统的高灵敏探测主要依靠光电倍增管(pmt)、热探测器、窄禁带半导体光电二极管(photodiode)或电荷耦合器件(ccd)实现。其中，pmt具有高增益和低噪声的特点，但其体积大，外壳为玻璃易碎，还需要很高的电源功率。热探测器(如高温计或辐射热测量仪)的响应速度慢，且响应度和波长不相关。而半导体光电二极管和ccd具有固态器件的优势，只需要中等的工作电压即可。且半导体光探测器体积小、重量轻，并且对磁场不敏感，因此对半导体光探测器有较多的研究和应用。

图1是现有技术中一种半导体探测器的基本结构示意图。如图1所示，这种半导体光探测器可以为pipin结构，1区为p层，2区为i层，3区为p层，4区为i层，5区为n层。其中，1区和5区构成pn结，是半导体器件的一种基本结构。2区为吸收层，主要用于吸收能量高于其禁带宽度的光子的能量，从而产生电子空穴对。3区为电荷层，主要用于电场控制。4区为倍增层，主要用于电子离化碰撞，达到倍增或雪崩的效果。实际应用中，半导体光探测器还包括衬底、缓冲层和电极，图1中未显著画出。也就是说，当半导体光探测器探测到光时，会产生电流，并通过两端的电极将电信号传输出去，达到探测效果。

现有技术的半导体光探测器虽然能成功地对光进行探测，但通常不具备波长选择性。而实际应用中，可能需要有针对性的对某种或某几种波长的光进行探测，这种需求是现有技术无法满足的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体光探测器及其制备方法，可以增强探测的选择性。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种半导体光探测器，该探测器为pipin结构，在衬底上依次包括：n型层、i型倍增层、p型电荷层、i型光敏吸收层、p型滤光层；n型层上设置有n型欧姆电极，p型滤光层上设置有p型欧姆电极；所述p型滤光层和n型层构成pn结；

所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层。

较佳地，所述p型滤光层的材料为alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；

所述i型光敏吸收层的材料为alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)。

较佳地，所述n型层的材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；

所述i型倍增层的材料为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两种材料周期性交替设置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁带宽度小于alygazin(1-y-z)n的禁带宽度；

所述p型电荷层的材料为alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)。

较佳地，所述p型滤光层的厚度为10nm～3μm。

较佳地，所述p型电荷层的厚度为10nm～3μm。

本发明还提供了一种半导体光探测器的制备方法，适用于上述的探测器，该方法包括：

在衬底基础上生长一层n型层；

在所述n型层上生长一层i型倍增层；

在所述i型倍增层上生长一层p型电荷层；

在所述p型电荷层上生长一层i型光敏吸收层；

在所述i型光敏吸收层上生长一层p型滤光层；

所述n型层上设置有n型欧姆电极，p型滤光层上设置有p型欧姆电极；所述p型滤光层和n型层构成pn结；所述p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结；其中，所述p型滤光层禁带宽度大于所述i型光敏吸收层的禁带宽度；且所述p型滤光层为接收入射光的结构层。

较佳地，所述p型滤光层的材料为alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；

所述i型光敏吸收层的材料为alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)。

较佳地，所述n型层的材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；

所述i型倍增层的材料为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两种材料周期性交替设置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁带宽度小于alygazin(1-y-z)n的禁带宽度；

所述p型电荷层的材料为alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)。

较佳地，所述p型滤光层的厚度为10nm～3μm。

较佳地，所述p型电荷层的厚度为10nm～3μm。

由此可见，本发明提供的一种半导体光探测器及其制备方法，在pipin结构的探测器基础上，p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结，前者禁带宽度大于后者，且需要探测的光从p型滤光层入射。正是由于p型滤光层和i型光敏吸收层为异质结，可以构成一个过滤窗口，故只有符合波长要求的光被吸收层吸收，产生载流子，从而大大增强半导体光敏探测器的选择性。

附图说明

图1是现有技术中半导体光探测器的基本结构示意图。

图2是本发明实施一中半导体光探测器的制备方法流程图。

图3是本发明实施例一的半导体光探测器的结构示意图。

图4是本发明实施例一中滤波效应的示意图。

图5是本发明实施例一中能带示意图。

图6是本发明实施二中半导体光探测器的制备方法流程图。

图7是本发明实施例二的半导体光探测器的结构示意图。

图8是本发明实施二中半导体光探测器的制备方法流程图。

图9是本发明实施例二的半导体光探测器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种新的半导体光探测器。该探测器设有一滤光层，可以过滤掉不需要的光，仅让符合波长要求的光被吸收。如果所探测的光中存在符合波长要求的光，那么该探测器就会产生电信号，从而成功进行探测。

图2是本实施一的半导体光探测器的制备方法流程图。如图2所示，该制备方法包括：步骤201、在衬底基础上生长一层n型层。步骤202、在n型层上生长一层i型倍增层。步骤203、在i型倍增层上生长一层p型电荷层。步骤204、在p型电荷层上生长一层i型光敏吸收层。步骤205、在i型光敏吸收层上生长一层p型滤光层。实际应用中，还需要设置电极等步骤，此为现有技术无需赘述。

图3是根据上述方法制备出的光探测器的结构示意图。如图3所示，该探测器为pipin结构，在衬底上依次包括：n型层、i型倍增层、p型电荷层、i型光敏吸收层、p型滤光层。另外，n型层上还设置有n型欧姆电极，p型滤光层上设置有p型欧姆电极。实际应用中，半导体光探测器还包括衬底、缓冲层和电极，图3中未明显画出。为了方便描述，假设1区为p型滤光层，2区为i型光敏吸收层，3区为p型电荷层，4区为i型倍增层，5区为n型层。其中，1区和5区构成pn结，是半导体具备导电性能的最基本结构。1区的p型滤光层主要用于过滤掉不符合波长要求的光。2区的i型光敏吸收层主要用于吸收能量高于其禁带宽度的光子的能量，产生电子空穴对。3区的p型电荷层，主要用于电场控制。4区的i型倍增层主要用于电子离化碰撞，达到倍增或雪崩的效果。

这里需要注意的是，1区的p型滤光层和2区的i型光敏吸收层应该为异质结，且p型滤光层的禁带宽度大于i型光敏吸收层的禁带宽度。异质结是指两种带隙宽度不同的半导体材料长在同一块晶体上所形成的结。反之，如果带隙相同则称为同质结。另外，本实施例中1区的p型滤光层是接收入射光照射的层，即本实施例一中的探测器采用正向入射方式。

发明人在实验中发现，普通的异质结探测器无法满足本发明的需求。因为普通的异质结探测器仅分pn结结构，而且采用背入射方式，即光从n区入射。其中，n区的禁带宽度大于p区，入射光中能量大的被n区吸收，能量小的被p区吸收。由于n区没有电场分布，光生载流子产生后容易复合，无法产生响应，从而达到过滤作用。但是，由于普通异质结采用背入射方式，n区产生的电子直接向n型电极方向输运，产生的空穴向p型电极输运。而本发明实施例一要求电子必须达到倍增雪崩区，否则无法进行倍增处理。因此，本发明不按照现有普通的异质结设计，而是将本实施例一中的1区的p型滤光层和2区的i型光敏吸收层设置为异质结，且采用正向入射方式，由1区的p型滤光层接收入射光。

也就是说，1区的p型滤光层接收到光照射后，吸收比自身禁带宽度所对应能量高的光子，不吸收比自身禁带宽度所对应能量低的光子。能量低的光子将透过p型滤光层由2区的i型光敏吸收层吸收。由于1区的p型滤光层无电场分布，光生载流子会快速发生热弛豫而损耗，无法形成有效输运，即能量高的光子经过1区的p型滤光层不发生作用，从而达到滤波效果。进一步的，能量低的光子被2区的光敏吸收层吸收，产生的电子向n型电极方向输运，经过3区的电荷层进入4区的倍增层，产生的空穴向p型电极方向输运。4区倍增层中的电子触发雪崩，产生大量电子空穴对。产生的电子继续向n型电极方向输运，产生的空穴继续向p型电极方向输运，形成电流，从而成功进行探测。

图4是本实施例一中滤波效应的示意图。如图4所示，假设1区p型滤光层的禁带宽度为egp，2区i型光敏吸收层的禁带宽度为egi，egp>egi。通过本发明实施例一的这种方式，大于egp的光将被1区p型滤光层阻止，不会进入2区，而小于egi的光由于能量不够也不会被吸收，只有能量在egi和egp之间的光才能被2区的i型光敏吸收层吸收，产生较强的电流。也就是说，由于p型滤光层的禁带宽度和i型吸收层的禁带宽度存在差异性，这个差异性构成了一个窗口效应，只有符合这个窗口要求的光才能被i型光敏吸收层吸收，从而达到波长选择性的目的。

实际应用中，3区的p型电荷层还可以起到过渡作用，将其禁带宽度设置在2区i型光敏吸收层和4区i型倍增层之间。这样，一方面可以起到晶格过渡的作用，缓解生长失配带来的不利影响。另一方面，3区的p型电荷层还可以起到能带过渡的作用，使载流子能够更容易到达4区i型倍增层。图5表示本实施例中探测器各层的能带图。从图中可以看出，2区i型光敏吸收层和4区i型倍增层的带阶比较大，2区i型光敏吸收层吸收光产生的载流子难以输运到4区。如果不设置过渡区，则需要加大电场才能使载流子到达4区倍增区，而这将导致暗电流的影响。而如果像本实施例一样设置有中间的过渡区(即3区p型电荷层)，由于其禁带宽度介于2区和4区之间，使得2区和4区的势能差得到缓解，从而使载流子更容易漂移到4区i型倍增层。

实际应用中，制备半导体光探测器的材料可能不同，可以采用algainn四元合金。需要说明的是，这里所述的algainn四元合金并非一定包括这四种元素，还可以是aln、gan、inn、algan等二元或三元的组合。为了清楚表示不同层的材料，下面用元素的组分不同来进行区分。比如：

1区p型滤光层的材料为alagabin(1-a-b)n(0≤a≤1,0≤b≤1,0≤a+b≤1)；

2区i型光敏吸收层的材料为alcgadin(1-c-d)n(0≤c≤1,0≤d≤1,0≤c+d≤1)；

3区p型电荷层的材料为alegafin(1-e-f)n(0≤e≤1,0≤f≤1,0≤e+f≤1)；

4区i型倍增层的材料为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两种材料周期性交替设置；所述alwgaxin(1-w-x)n的禁带宽度小于alygazin(1-y-z)n的禁带宽度；

5区n型层的材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)。

其中，4区i型倍增层的设置可以与现有的超晶格雪崩探测器相同，其目的是为了发生离化碰撞，达到电子倍增的效果，此处不再赘述。

当然，探测器的其他附加层次材料的选取也可以采用algainn四元合金。比如:

衬底的材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)；

低温缓冲层的材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)。

其中，衬底可以为异质衬底或同质衬底，比如蓝宝石、硅单晶、尖晶石、碳化硅、氧化锌、硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底、gan、aln等。

另外，低温缓冲层和5区n型层的厚度通常为1～3μm，4区i型倍增层的周期数为1～100之间，势垒或势阱的宽度为1～100nm；3区电荷层的厚度为1nm～3μm；2区光敏吸收层的厚度为1nm～3μm；1区p型滤光层的厚度为10nm～3μm。

通过本实施例一的方案，由于1区p型滤光层为alagabin(1-a-b)n，2区i型光敏吸收层为alcgadin(1-c-d)，两种并非同一材料，形成了异质结，并且alagabin(1-a-b)n的禁带宽度大于alcgadin(1-c-d)的禁带宽度。这样，当光从p型滤光层入射时，p型滤光层起到滤波的作用，i型光敏吸收层只吸收合适波长的光。此后，载流子经过p型电荷层到达i型倍增层，引发离化碰撞，产生电流，从而成功进行光的探测。正是由于本实施例将p型滤光层和i型光敏吸收层形成了异质结，设置了其合适的禁带宽度，从而使探测器可以对光可以有选择性地进行探测。

实施例二

本实施例制备一种紫外窄带吸收超晶格雪崩探测器，需要对365nm的紫外光进行探测。假设本实施例利用蓝宝石作为衬底，采用金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)方法，三甲基镓(tmga)作为镓源，高纯度nh3作为氮源，硅烷作n型掺杂剂。

图6是本实施例方法流程图，图7是利用本实施例制备的半导体光探测器。如图6和图7所示，本实施例包括：

步骤601：在衬底上生长20nm的n型gan低温缓冲层。

本实施例材料采用algainn四元合金，记作alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的组分均为0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此四元合金这里简记为gan。下述关于材料的简记方法与此相同，不再赘述。

步骤602：在上述低温缓冲层上生长一层3μm的n型层gan，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为5区n型层，其材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的组分均为0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此这里简记为gan。

步骤603：在n型层gan上生长20周期的gan和aln超晶格倍增区作为光生载流子的i型倍增层(雪崩放大区)，其中gan为10nm，aln为20nm。

本步骤生长的为4区i型倍增层，材料为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两种材料轮流交替设置，alwgaxin(1-w-x)n的禁带宽度小于alygazin(1-y-z)n的禁带宽度。

步骤604：利用二茂镁作p型掺杂剂，在i型倍增层上生长一层16nm的p型电荷层gan，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为3区p型电荷层，也即过渡层。这里，过渡层的材料为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。

步骤605：在p型电荷层上生长一层300nm的i型gan的365nm紫外光敏吸收层。

本步骤生长的为2区i型光敏吸收层，材料为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。

步骤606：在光敏吸收层上生长一层100nm的p型al0.1ga0.9n滤光层，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为1区p型滤光层，材料为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。

实际应用中，完善地制备探测器还需要刻蚀台面、沉积电极以及钝化等步骤。比如在本实施例中，可以使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀技术在表面刻出深度为1μm的台面；使用电子束蒸发(eb)技术在p型层上沉积一层ni/au电极，在n型层沉积一层cr/au电极；使用pecvd技术在台面上沉积200nm的sio2钝化层。上述步骤均与现有技术相同，此处不再赘述。

从本实施例二可以知道，1区p型滤光层为100nm的p型al0.1ga0.9n，2区为300nm的i型gan的365nm紫外光敏吸收层，两种材料完全不一样，构成异质结，前者禁带宽度大于后者。这样，大于365nm的光入射时，1区的滤光层将其吸收，光生载流子快速发生热弛豫而损耗，无法形成有效输运。同时，远小于365nm的光由于能量太低，无法被1区或以下的2区吸收。只有波长在于365nm紫外光才适合透过1区被2区的吸收层吸收，产生载流子。因此，本实施例二的1区和2区形成的异质结可以滤除不必要的光，只有365nm的紫外光才对探测器起作用，从而成功探测出365nm的紫外光。

实施例三

本实施例需要制备一种绿光窄带吸收超晶格雪崩探测器，需要对550nm的绿光进行探测。假设本实施例选择h-sic作为生长gan材料的衬底；采用mbe方法，硅作n型掺杂剂。

图8是本实施例制备方法流程图，图9是本实施例制备的探测器结构示意图。如图8和图9所示，本实施例包括：

步骤801：在衬底上生长20nm的n型gan低温缓冲层。

本实施例材料采用algainn四元合金，记作alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的组分均为0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此四元合金这里简记为gan。

步骤802：在上述低温缓冲层上生长一层3μm的n型gan，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为5区n型层，其材料为alugavin(1-u-v)n(0≤u≤1,0≤v≤1,0≤u+v≤1)，其中al和in的组分均为0，即u＝0，v＝1，1-u-v＝0，因此这里简记为gan。

步骤803：在n型gan层上生长一层50周期的gan和aln超晶格倍增区作为光生载流子的雪崩放大区，其中gan为30nm，aln为50nm。

本步骤生长的为4区i型倍增层，材料为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两种材料周期性交替设置，alwgaxin(1-w-x)n的禁带宽度小于alygazin(1-y-z)n的禁带宽度。

步骤804：使用镁作p型掺杂剂，在i型倍增层上沉积一层16nm的p型电荷层in0.2ga0.8n，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为3区p型电荷层，也即过渡层。这里，过渡层的材料为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。

步骤805：在p型过渡层上沉积一层300nm的i型in0.31ga0.69n光敏吸收层。

本步骤生长的为2区i型光敏吸收层，材料为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。

步骤806：在光敏吸收层上生长一层100nm的p型滤光层in0.25ga0.75n，掺杂浓度约为10¹⁹cm^-3。

本步骤生长的为1区p型滤光层，材料为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。

实际应用中还需要制作台面、电极等步骤，在本实施例中可以使用感应耦合等离子体(icp)刻蚀技术在表面刻出深度为1μm的台面；使用电子束蒸发(eb)技术在p型层上沉积一层ni/au电极，在n型层沉积一层cr/au电极；使用pecvd技术在台面上沉积200nm的sio2钝化层。上述步骤均与现有技术相同，此处不再赘述。

从本实施例三可以知道，1区p型滤光层为100nm的p型in0.25ga0.75n，2区为300nm的i型in0.25ga0.75n光敏吸收层，两种材料完全不一样，构成异质结，前者禁带宽度大于后者。这样，大于550nm的光入射时，1区的滤光层将其吸收，光生载流子快速发生热弛豫而损耗，无法形成有效输运。同时，远小于550nm的光由于能量太低，无法被1区或以下的2区吸收。只有波长在于550nm绿光才适合透过1区被2区的吸收层吸收，产生载流子。因此，本实施例三的1区和2区形成的异质结可以滤除不必要的光，只有550nm的绿光才对探测器起作用，从而成功探测出550nm的绿光。

本发明提供了一种半导体光探测器，将p型滤光层和i型吸收层设置为异质结，前者的禁带宽度大于后者，且p型滤光层作为光入射的层。由于p型滤光层的禁带宽度大于i型吸收层的禁带宽度，可以形成过滤窗口，只有符合要求的光才能被吸收层吸收，产生载流子，从而成功探测出相应波长的光。需要强调的是，本发明实施例仅提供了几种具体的实施方式，只要半导体光探测器符合pipin结构，包含本发明实施例所述的5个区域，且p型滤光层和i型滤光层形成异质结的所有探测器及其制备方法都包含在本发明保护范围之内。因此，上述几种优化的实施例并不用于限制本发明的保护范围。

以上所述对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。