[发明专利]基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，尤其涉及一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器。

背景技术

Ⅲ族氮化物属于第三代半导体，是典型的宽禁带化合物半导体材料。GaN基材料（包括其二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN）具有禁带宽度大，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，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子、光电子器件。而基于GaN基材料的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，成为光电探测领域内研究和开发的热点。

高性能雪崩光电探测器需要具备高增益、低噪声的特性，从而实现对微弱光信号的探测。研究表明，由单载流子（电子或空穴）触发而产生的雪崩增益与双载流子触发相比具有更低的噪声，而采用碰撞电离系数更大的载流子触发雪崩则能产生相对更大的增益；因此为了实现雪崩光电探测器的高增益、低噪声性能，通过器件外延结构设计以使碰撞电离系数较大的载流子去触发雪崩是一种有效的方法。以n型半导体肖特基结构的雪崩光电探测器为例，当光信号从n型半导体一侧入射时，对应波段的光会在n型层中被吸收，激发出电子空穴对。在反偏电场的作用下，电子被收集到n型欧姆接触处，空穴被运输到金属电极与非掺杂半导体接触所形成的耗尽层（有源层）中，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。

对于GaN材料，空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，传统上一般传采用P-I-N-I-N结构来实现吸收倍增层分离和空穴触发雪崩的目的，这种结构主要有两种缺点：（1）GaN基材料的p型掺杂可控性较差，在晶体质量，载流子浓度和形成p型欧姆接触方面并不理想，这样会影响器件的整体性能；（2）由于生长重掺的p型GaN基材料会出现表面劣化的现象，难以将质量良好的n型GaN基材料生长在p型GaN基材料之上，因此需要采用背入射方式来实现空穴触发的雪崩。但是为了实现背入射，不仅要求衬底本身是透光材料（即衬底材料的禁带宽度对应的光波长要低于入射信号），而且在其技术规格上要求是双面抛光，这样增大了工艺的难度。此外，衬底和吸收层之间的缓冲层、欧姆接触层等外延层对光信号的吸收也会降低探测器的外量子效率，从而影响雪崩光电探测器的性能。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供了一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器，包括依次层叠的衬底、缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、非掺杂或低掺杂浓度的Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、非掺杂或低掺杂浓度的Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及非掺杂或低掺杂浓度的n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层。其中，缓冲层、n型掺杂Al_xIn_yGa_1-x-yN层、Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N吸收层、Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N缓变层以及n型Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N倍增层均利用外延生长法，如分子束外延、金属有机化学气相沉积外延法等依次层叠生长于衬底上。