[发明专利]一种雪崩焦平面探测器外延结构及其制备方法

说明书

本发明属于宽禁带半导体、光电子器件领域，具体涉及一种雪崩焦平面探测器外延结构及其制备方法；所述外延结构从上至下包括非故意掺杂AlGaN吸收层、N型AlGaN组分渐变层、N型AlGaN超晶格层、非故意掺杂AlN模板层以及AlN单晶衬底。本发明的外延结构能够在一定程度上解决蓝宝石衬底晶格失配与热失配高、外延材料缺陷密度高和热导率差等问题，提高APD焦平面阵列的灵敏度、响应均匀性和可靠性。

技术领域

本发明属于宽禁带半导体、光电子器件领域，具体涉及一种雪崩焦平面探测器外延结构及其制备方法。

背景技术

紫外雪崩焦平面探测器是一种基于氮化物材料的新型全固态图像传感器，具有小型化、高灵敏度、环境适应性强、低功耗等特点，主要用于微弱紫外信号的探测和成像。

紫外雪崩焦平面探测器的感光部分是由氮化物雪崩二极管(Avalanche PhotoDiode，简称APD)阵列构成，即每个像素都包含一个单元APD，负责将紫外光信号转换为电信号。如图1所示，通常紫外探测器在蓝宝石衬底上外延生长P型、N型多层氮化物材料而形成。然而在使用蓝宝石衬底制备阵列型紫外APD这种高电压、大电流器件时，存在以下问题：

1)氮化物例如AlGaN外延薄膜与衬底材料的晶格失配和热失配造成穿透位错密度高，在高电压下严重影响器件的暗电流与可靠性；

2)APD工作电压高，阵列芯片产热高，而蓝宝石衬底热导率低，易导致APD工作点漂移，工作电压不稳定，从而影响焦平面探测器的响应均匀性和探测效率；

3)在探测器阵列中，不同位置的像元到公共N电极的横向传导距离不同，随着阵列规模扩大，像元与N电极之间的横向传导电阻(计入总串联电阻)对传输效率的影响较大，影响了焦平面阵列响应的均匀性。

发明内容

针对蓝宝石衬底紫外雪崩焦平面探测器在高电压下暗电流高、工作点不稳定，散热能力差、横向传导电阻高等问题，本发明开发一种新型单晶衬底APD焦平面探测器外延结构，解决蓝宝石衬底晶格失配与热失配高、外延材料缺陷密度高、热导率差和大面阵焦平面横向传导电阻高等问题，最终提高APD焦平面的灵敏度、响应均匀性和可靠性。

本发明所提供的一种雪崩焦平面探测器外延结构及其制备方法的具体方案可以包括如下几方面。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种雪崩焦平面探测器外延结构，所述外延结构从上至下包括非故意掺杂(Unintentional doping，UID)AlGaN(铝镓氮)吸收层、N型AlGaN组分渐变层、N型AlGaN超晶格层、非故意掺杂AlN模板层以及AlN(氮化铝)单晶衬底。

进一步的，所述非故意掺杂吸收层采用Al_x1Ga_1-x1N材料；厚度范围为0.1～0.5μm；其中x1为Al组分，0.2≤x1≤0.6。

进一步的，所述N型组分渐变层采用Al_x2Ga_1-x2N材料；厚度范围为0.01～0.1μm；其中x2为Al组分，x1≤x2≤x3。

进一步的，所述N型AlGaN超晶格层包括沿垂直于衬底表面方向叠置的一个或多个周期结构；所述周期结构采用上下交替的两种不同的N型AlGaN材料；其中所述N型AlGaN超晶格层的最上层为Al_x3Ga_1-x3N材料，最下层为Al_x4Ga_1-x4N材料，厚度均为0.005-0.01μm；x3、x4分别代表不同的Al组分，0.6≤x3≤0.8，x3+0.1≤x4≤1。

进一步的，所述非故意掺杂AlN模板层作为缓冲层，其厚度为0.2-1μm。

进一步的，所述AlN单晶衬底采用AlN材料，其晶向可以选用(001)。