[发明专利]一种III族氮化物半导体可见光雪崩光电探测器及制备方法

说明书

本发明涉及一种III族氮化物半导体可见光雪崩光电探测器及制备方法，探测器包括衬底及在衬底上生长的外延层结构；外延层结构按照从下至上的生长顺序依次为非故意掺杂AlN缓冲层、非故意掺杂Al_xGa_1‑xN缓冲层，n型重掺杂Al_yG_1‑yN欧姆接触层，Al组分渐变Al_zGa_1‑zN极化掺杂p型层、非故意掺杂GaN倍增层、n型掺杂GaN电荷层、In_mGa_1‑mN/GaN超晶格光吸收层和n型重掺杂GaN欧姆接触层。探测器采用p型层下置结构，利用AlGaN层中自发极化与组分渐变带来的压电极化效应产生三维空穴气形成p型层，无需掺杂受主杂质，避免了受主杂质扩散与重掺杂对结晶质量的影响；光吸收层以外均采用结晶质量相对良好的AlGaN、GaN，并利用组分渐变层，在极化掺杂的同时调控应力、提高结晶质量；吸收层采用InGaN/GaN超晶格抑制InGaN层的相分离，从而保证雪崩光电效应的产生。

技术领域

本发明涉及III族氮化物半导体光电探测器技术领域，尤其涉及一种III族氮化物半导体可见光雪崩光电探测器及制备方法。

背景技术

随着信息技术的日益更新，基于化合物半导体材料的固态光电探测技术在现代光电信息探测领域发挥越来越重要的作用。近年来，随着信息化社会的迅猛发展，光电探测技术在国防、民用和科学研究等领域的应用日益增加，例如紫外火焰探测、环境监测、导弹预警、量子通信、太空光通信、可见光红外摄像等等。相比于传统的以光电倍增管(PMT)为代表的真空光电探测器件，固态探测器件具有工作电压低、耐高温、抗辐射、耐腐蚀、体积小、量子效率高等优点，因而在研究和应用中发展迅猛。在固态半导体材料中，III族氮化物半导体(包括二元化合物GaN、InN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN、AlInN以及四元化合物AlInGaN等化合物材料)具有直接带隙、禁带宽度调节范围宽、击穿电场高、热导率大、耐高温、抗辐射能力强、化学稳定性高，电子饱和迁移速度快等优点，通过调节多元化合物的组分可以实现覆盖中红外，可见光以及紫外光信号的探测，因此成为当前固态光电探测领域中的研究热点。

固态光电探测器件可以分为光电导探测器、肖特基金属-半导体-金属(MSM)光电探测器、肖特基光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩光电二极管几种主要类型。其中，肖特基MSM光电探测器尽管结构和制造工艺简单，但器件在零偏压下没有响应，高偏压下容易产生电流的集边效应而导致提前击穿，降低器件使用寿命；肖特基势垒光电二极管的有源区由金属与半导体的接触形成，工艺依赖度高，可靠性低且暗电流较高；PIN型光电二极管尽管具有低暗电流、高量子效率、高响应速度的优点，但是不提供内部增益，因而无法实现高灵敏度探测。基于PIN结构的雪崩光电探测器是当前优选的光电探测器件类型，可同时满足高灵敏和高速探测。但是，一般的PIN结构雪崩光电探测器，其I层同时作为吸收层和倍增层，层中的电子与空穴同时参与雪崩倍增，器件性能受雪崩过剩噪声影响较大。针对这一问题，研究者发展出吸收、倍增层分离(SAM)结构雪崩光电二极管，器件具有量子效率高、响应速度块增益高、过剩噪声小等特点，因此成为当前雪崩光电探测器中采用较多的一种结构类型。