一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法

本发明属于半导体，尤其涉及一种gan基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法。

背景技术：

1、紫外雪崩探测器是电晕检测、加密通讯、空间成像等系统的探测模块的核心元器件。当前使用的雪崩探测器主要是光电倍增管，体积大、耗能高、造价假高且脆弱易碎，而si基的雪崩探测器需要前置昂贵易老化的滤波片才可进行紫外探测，因此迫切需要一种体积小、功耗低、稳定性好的新型固态紫外探测器作为替代。gan基材料是直接宽禁带半导体材料，禁带宽度在0.9ev至6.2ev之间连续可调，且具有很好的热稳定性和化学稳定性，是制备新一代深紫外固态apd的理想材料。

2、当前，gan基的紫外雪崩探测器通常采用体材料作为雪崩倍增层，并在高电压下通过高电场实现器件内部载流子的雪崩倍增。gan基紫外雪崩探测器通常以垂直器件为主，台面的刻蚀会在倍增区侧壁引入损伤和缺陷，同时gan基材料内部本身存在大量的位错，这些缺陷和损伤在高电场下会发生严重的漏电现象，造成器件破坏和器件暗电流的增大，损害器件性能与稳定性。目前gan基材料的缺陷水平短期内难以有较大提升，调整器件外延结构设计缓解高场工作问题是当前gan基雪崩探测器的研究重点之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要针对器件高场下工作稳定性的问题，提供一种可在相对低压下实现稳定雪崩增益的gan基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供一种gan基超晶格紫外雪崩探测器，从下至上依次包括衬底，gan缓冲层，n-gan层，超晶格结构层，i-gan层，p-gan层，以及位于台面上的p电极和位于刻蚀区n-gan层上方的n电极；

3、所述超晶格结构层为gan/inn超晶格，或gan/ingan超晶格。

4、优选地，所述衬底为蓝宝石或gan衬底。

5、优选地，所述n-gan层的厚度>300nm，掺杂浓度>5×1018cm-3。

6、优选地，所述超晶格结构层中重复周期数量≥10，单个周期的厚度≤10nm，其中gan材料的厚度≤5nm，inn或ingan材料的厚度≤5nm。

7、优选地，所述i-gan层为吸收层，为非故意掺杂，厚度为100-300nm。

8、优选地，所述p-gan层的厚度为100-200nm，掺杂浓度>5×1018cm-3。

9、优选地，所述n电极为欧姆接触电极，依次沉积ti、al、ni和au制得，其中au的沉积厚度≥100nm。

10、优选地，p电极为欧姆接触电极，为ni、pt、au和ito中的任意一种或两种及以上的合金薄膜，总厚度≥250nm。

11、本发明还提供一种如上所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，包括以下步骤：

12、在所述衬底上生长所述gan缓冲层；

13、在所述gan缓冲层上生长所述n-gan层；

14、在所述n-gan层上生长所述超晶格结构层；

15、在所述超晶格结构层上生长所述i-gan层；

16、在所述i-gan层上生长所述p-gan层；

17、刻蚀器件台面，刻蚀至暴露出所述n-gan层；

18、在台面上制备所述p电极，在台面下位于刻蚀区n-gan层上方制备所述n电极。

19、优选地，外延生长的方法均为mocvd或mbe；刻蚀器件台面采用icp技术刻蚀，台面为圆台或方台；所述p电极和n电极采用光刻、电子束蒸发、溅射和快速热退火工艺制备。

20、本发明采用上述技术方案的优点是：

21、本发明的gan基超晶格紫外雪崩探测器，包括超晶格结构gan/inn或gan/ingan超晶格，载流子于超晶格内发生雪崩倍增，通过超晶格结构的带阶实现载流子的能量提升及碰撞离化，有效减弱传统雪崩探测器工作依赖外偏压实现碰撞离化带来的高场击穿的问题，外偏压仅满足载流子可跨越带阶的需求即可，可避免由于高偏压下器件内部高场强导致的器件击穿和缺陷漏电等问题，从而保证器件在雪崩倍增情形下稳定工作；同时可以通过更改超晶格的周期数来控制其雪崩倍增的次数，器件增益的稳定可控。

22、本发明提供的gan基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，工艺简单，可批量制备，适合工业化生产。

技术特征：

1.一种gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，从下至上依次包括衬底，gan缓冲层，n-gan层，超晶格结构层，i-gan层，p-gan层，以及位于台面上的p电极和位于刻蚀区n-gan层上方的n电极；

2.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石或gan衬底。

3.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述n-gan层的厚度>300nm，掺杂浓度>5×1018cm-3。

4.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述超晶格结构层中重复周期数量≥10，单个周期的厚度≤10nm，其中gan材料的厚度≤5nm，inn或ingan材料的厚度≤5nm。

5.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述i-gan层为吸收层，为非故意掺杂，厚度为100-300nm。

6.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述p-gan层的厚度为100-200nm，掺杂浓度>5×1018cm-3。

7.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，所述n电极为欧姆接触电极，依次沉积ti、al、ni和au制得，其中au的沉积厚度≥100nm。

8.根据权利要求1所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器，其特征在于，p电极为欧姆接触电极，为ni、pt、au和ito中的任意一种或两种及以上的合金薄膜，总厚度≥250nm。

9.一种权利要求1-8任意一项所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的gan基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，其特征在于，外延生长的方法均为mocvd或mbe；刻蚀器件台面采用icp技术刻蚀，台面为圆台或方台；所述p电极和n电极采用光刻、电子束蒸发、溅射和快速热退火工艺制备。

技术总结
本发明提供一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法，属于半导体技术领域。本发明的GaN基超晶格紫外雪崩探测器，从下至上依次包括衬底，GaN缓冲层，n‑GaN层，超晶格结构层，i‑GaN层，p‑GaN层，以及位于台面上的p电极和位于刻蚀区n‑GaN层上方的n电极；载流子于超晶格内发生雪崩倍增，通过超晶格结构的带阶实现载流子的能量提升及碰撞离化，外偏压仅满足载流子可跨越带阶的需求即可，可避免由于高偏压下器件内部高场强导致的器件击穿和缺陷漏电等问题；同时可以利用通过更改超晶格的周期数来控制其雪崩倍增的次数。本发明提供的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，工艺简单，可批量制备，适合工业化生产。

技术研发人员：蒋科,王炳翔,黎大兵,孙晓娟,吕顺鹏,贲建伟
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13