[实用新型]一种背照式级联倍增雪崩光电二极管

说明书

技术领域

本实用新型涉及光电探测、单光子探测领域，具体是指一种背照式级联倍增雪崩光电二极管。

背景技术

高灵敏度、低噪声的微弱光探测在保密通信、预警与制导、火灾预警、大气环境监测、生物检测、深空探测等领域具有重大应用价值，是光电探测技术发展的主要方向之一。常见的微弱光探测高灵敏度紫外-可见光-近红外探测器主要有光电倍增管（PMT）和半导体雪崩探测器（APD）。与PMT相比，APD的量子效率高，工作电压低，可靠性高，且易于制作大规模高分辨率的探测器阵列。目前发展最成熟的Si基雪崩探测器虽然在可见波段性能较好，但受限于Si材料自身的特性（如，带隙远低于紫外的能量、紫外光子响应度低、须使用滤波片阻挡可见光和红外线、紫外光照下易老化），限制了其微弱光紫外探测的性能。因此，研究人员开始研究基于GaN、SiC等第三代宽禁带半导体材料的APD来克服上述诸多缺点。其中，氮化物APD具备可室温工作且暗电流很低、同时对可见光不响应、穿场强高、物理和化学性质稳定、抗紫外-可见辐照能力强、在紫外-可见波段工作的稳定性高等优势，是极具发展前途的“单光子”级别微弱光探测器之一。对于近红外波段，常采用InGaAs探测器，但暗噪声较大需要在制冷条件下工作。同时上面所述的APD对于微弱光探测均需工作于盖革模式，需要复杂的淬灭电路。

公开日为2016年7月6日，公开号为CN105742387A的中国发明专利文献，公开了一种半导体结构，提出了超晶格倍增区，具有高增益线性倍增的优点，在线性模式下即可探测微弱光，不需要工作于盖革模式。然而，不同于传统pin-APD在正/背照式下均可实现电子/空穴注入完成双极离化，周期性级联结构APD在正入射电子注入下，能完成电子的有效倍增。但在背照式空穴注入下，由于倍增区能带结构所致，空穴电子离化系数之比k仅为0.05，空穴基本无法在级联结构中实现碰撞离化产生倍增效应。同时背入射光在经过倍增区将被吸收，也无法到达吸收层形成有效倍增。基于以上两点，证明了现有的级联结构不适于背照式。需引入光耦合结构调控入射光的传播方向使其从垂直传播转变为横向面内传播，这样就可以将台面以外大面积区域的光不经倍增区直接汇聚到吸收层。

实用新型内容

为克服上述技术缺陷，本实用新型提出一种背照式级联结构雪崩光电二极管，将周期性级联结构倍增区引入到易于集成的背照式APD结构中，使APD器件可以像PMT一样实现线性模式高增益；同时，采用光栅耦合结构使背照式光有效到达主吸收区，解决背照式下有效光吸收低的问题，从而使其对光子的吸收和电子的单极倍增能力都得到大幅度的提升。

本实用新型的技术方案如下：

一种背照式级联倍增雪崩光电二极管，其特征在于：在衬底上设置有缓冲层，缓冲层上设置有n型掺杂Al_xGa_1-xN层，n型掺杂Al_xGa_1-xN层上面设置有一突起台面，所述突起台面上自下而上依次设置有i型周期级联倍增层、i型本征吸收层及p型电极层；所述突起台面的周围设置有光耦合汇聚结构；所述n型掺杂Al_xGa_1-xN层的下沉台面上沉积有n型欧姆接触层，p型电极层上沉积p型欧姆接触层；通过调节n型掺杂Al_xGa_1-xN层中Al组分的x，使得n型掺杂Al_xGa_1-xN层对光电二极管中i型本征吸收层对应的探测波段吸收率小于20%。

所述i型周期级联倍增层为Ⅲ族氮化物的超晶格，其材质可以为In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN等，其中0≤y≤1，i型周期级联倍增层的厚度为0.001~1µm。

所述i型本征吸收层的材质可以为In_zGa_1-zN、或Al_zGa_1-zN等，其中0≤z≤1，i型本征吸收层的厚度为0.001~1µm。