[发明专利]一种三族氮化物基异质结光电晶体管

说明书

本发明涉及可见光与紫外光探测器技术领域，更具体地，涉及一种三族氮化物基异质结光电晶体管，包括衬底及生长于衬底之上的三族氮化物外延层；所述三族氮化物外延层自下而上依次包括成核层、过渡层、施主掺杂层、非故意掺杂层、多元合金受主掺杂层、较大禁带宽度材料的非故意掺杂层，较大禁带宽度材料的施主掺杂层。本发明一种三族氮化物基异质结光电晶体管，采用合金组分与掺杂浓度缓变基区，产生附加加速电场，加速电子渡越基区，减小其在基区被复合的几率，从而提高光电增益及探测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及可见光与紫外光探测器技术领域，更具体地，涉及一种改善载流子基区渡越效率的三族氮化物基异质结光电晶体管。

背景技术

可见光与紫外探测在军事和国民经济的各个领域均有广泛的用途，可见光探测在光度计量、工业自动控制、可见光成像、可见光通信等方面有重要的应用；而紫外探测则由于背景噪声低、突发干扰源少等特点，在火灾报警、环境监测、高压电晕放电检测、工业燃烧过程监测等方面有着重要的应用。在可见光与紫外探测中，基于固态半导体的可见光或紫外光电探测器具有体积小、响应速度快、光电转换量子效率高的优点，其主要类型有肖特基型光电二极管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管（APD）与光电晶体管等。其中，肖特基与PIN型光电二极管虽然具有工作电压低、量子效率高的优点，但因其没有内部增益，导致其性噪比低、弱光探测性能较差，难以获得高探测灵敏度；雪崩光电二极管（APD）具有高内部光电流增益、高响应速度，可获得高探测灵敏度，但其工作电压高、雪崩过程带来的额外噪声、工作电压受温度影响大的缺点限制了APD的部分应用。与这些类型的光电探测器不同，光电晶体管是利用双极性晶体管双结耦合的特性，以光生电子-空穴对产生的电子或空穴电流作为晶体管的基极电流，被放大的集电极电流作为输出电流，从而实现内部增益，其最大的优点在于可在低工作电压下获得高光电流增益，同时可使暗电流保持在低水平（低噪声），因此可实现高灵敏度探测。

对于三族氮化物双极型异质结光电晶体管，其研制的起始与三族氮化物放光二极管（LED）的研制几乎是同步。1998年，美国Wei Yang（Honeywell Technology Center）等人在论文High gain GaN/AlGaN heterojunciton phototransistor (Applied PhysicsLetters, Vol. 73, No. 7)中首次报道了研制的基于 GaN/AlGaN的可见光盲异质结光电晶体管紫外光探测器，该器件采用背入射结构，光电流增益，但是，该结构的异质结光电晶体管暗电流较高，主要是因为外延层最先生长较大禁带宽度的AlGaN，GaN基区与集电区生长于其上，使得外延层晶体质量无法得到保证。2001年，日本大阪气体株式会社的RobertMouillet等人在文章Photoresponse and defect levels of AlGaN/GaN heterobipolarphototransistor grown on low-temperature AlN interlayer（Jpn. J. Appl. Phys,Vol. 40, pp. L498-L501）中报道了采用45度角正入射结构的可见光盲AlGaN/GaN异质结光电晶体管，其增益随着光强的减弱而减小，通过测试发现p型基区材料缺陷是影响器件的首要因素，该结构的器件能实现微弱光探测，但光电增益不高。2007年，台南大学M.L.Lee等人在文章Ultraviolet bandpass Al_0.17Ga_0.83N/GaN heterojunction phototransistorswith high optical gain and high rejection ratio（Applied Physics Letters, Vol.92, 083506）中报道了将较大禁带宽度材料AlGaN作为发射层与入射光窗口层，并置于器件外延结构最上层的可见光盲AlGaN/GaN异质结光电晶体管，该器件采用异质结作为发射结，提高了器件的光电流增益；同时，由于器件采用AlGaN发射区兼作入射光窗口层，这不仅提高了器件发射结的注入效率，也改善了器件对入射光的吸收效率。与之前报道的结构相比，该器件规避了将带隙较宽的AlGaN层置于外延结构下层中所带来的晶体质量劣化问题，但是由于p型基区受主掺杂杂质Mg原子的记忆效应，导致对n型发射区的杂质补偿、基区与发射区的结界面偏移，影响了器件性能的改善。