[发明专利]一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种紫外探测器，尤其涉及一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器。

背景技术

化合物半导体氮化镓（GaN）属于第三代半导体材料，具有直接带隙，禁带宽度大（3.43eV），电子漂移饱和速度高，介电常数小，耐高温，耐腐蚀，抗辐射，导热性能好等特性，是制作高量子效率、高密度集成及耐恶劣环境的短波长光电子器件和大功率、高频电子器件的理想材料。

紫外探测技术在军事、民用及科学研究上都有广泛的应用，如导弹羽烟探测，火焰探测，环境监控，太空通信等。在紫外探测系统中，探测器是核心的部分。目前，在已投入商业和军事应用的紫外探测器中，以紫外光电倍增管和硅基紫外光电二极管的应用最为广泛。其中，光电倍增管（PMT）具有优异的灵敏度，但其工作电压一般高于1000V以上，而且体积大、效率低、易损坏；而硅基紫外光电管作为固体探测器的代表，尽管可以避开PMT上述的一系列缺点，但跟PMT一样，由于对可见光响应，在紫外探测应用时需要附带昂贵的滤光片，因此增加了实际应用的成本。相对以上两者而言，GaN基紫外雪崩光电探测器具有体积小，工作电压低，耐高温，量子效率高、无需滤光片等优点，这使得其成为紫外探测领域内研究和开发的热点。在不久的将来，GaN基紫外雪崩光电探测器有望可以替代紫外光电倍增管和硅基紫外光电管在紫外探测领域的应用。

低噪声、高增益是高性能紫外雪崩光电探测器的两个关键指标。雪崩光电探测器的噪声和增益可以通过对载流子—电子、空穴碰撞电离率的有效比例的调控来实现，简称碰撞电离工程。研究发现，单载流子（电子或空穴）触发的雪崩击穿过程具有较低过剩噪声因子；而采用碰撞电离系数大的载流子作为触发载流子则可以获得更高的增益。对于GaN材料，空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，因此由空穴触发的GaN雪崩光电探测器具有更高的雪崩增益。以PIN结构的雪崩光电探测器为例，如果光信号从n型层一侧入射，对应波段的光会在n型层被吸收，激发出电子空穴对。在反偏电场的作用下，电子被收集到n型GaN层一侧，空穴被运输到有源层（i层），触发雪崩击穿，因此光信号从n型层一侧入射可以实现空穴触发的雪崩击穿；反之，如果光信号从p型层一侧入射，则可以实现电子触发的雪崩击穿。

对于传统的PIN结构和吸收倍增分离（SAM）结构的GaN雪崩光电探测器，由于p型GaN掺杂元素Mg的记忆效应以及生长重掺杂的p型GaN会出现外延层表面劣化的现象，导致难以将结晶质量良好的n型GaN生长在p型GaN之上，因此需要采用背入射的方式来实现空穴触发的雪崩增益。但由于实现背入射要求衬底透光，需要对衬底进行减薄，双面抛光，因此增加了工艺的复杂程度。此外，背入射的紫外光信号到达吸收层（或有源层）前要通过衬底、缓冲层，在此过程中入射光会被吸收、散射，导致探测器的外量子效率降低。如果采用带隙更宽的AlGaN材料作缓冲层，则会由于AlGaN外延层和衬底之间的晶格与热失配较GaN外延层更为严重，导致AlGaN缓冲层及其上生长的有源层中产生高密度缺陷而劣化器件的关键性能，如暗电流、量子效率等。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器，其利用Al_xGa_1-xN层既作为倍增层，又充当窗口的作用，允许波长在GaN材料截止波长和Al_xGa_1-xN材料截止波长之间的紫外光信号透过。使得从正面（p型层一侧）入射的上述波段的光信号在GaN吸收层里被吸收，激发出电子空穴对，在反偏电场的作用下，电子被收集到n型GaN层一侧，空穴则被运输到倍增层触发雪崩击穿，实现空穴触发的雪崩增益。同时波长短于Al_xGa_1-xN材料截止波长的紫外信号会在Al_xGa_1-xN层上被吸收，此时Al_xGa_1-xN层既是吸收层又是倍增层，从而提高了器件在Al_xGa_1-xN对应波段的量子效率。最终实现低噪声、高增益、高量子效率的紫外雪崩光电探测器。