一種紫外雪崩光電探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電探測(cè)領(lǐng)域，特別是一種光電探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]雪崩光電探測(cè)器因其內(nèi)部增益，使它具有高靈敏度、低噪聲和高增益帶寬積的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光測(cè)距、單光子探測(cè)、制導(dǎo)技術(shù)等民用和軍事領(lǐng)域。研究表明，由單一載流子(電子或空穴)觸發(fā)的雪崩增益與雙載流子觸發(fā)的雪崩增益相比有更小的噪聲，進(jìn)一步講，采用碰撞電離系數(shù)更大的單一載流子來(lái)觸發(fā)雪崩將會(huì)帶來(lái)相對(duì)更小的噪聲和更大的增益，因此在硅材料當(dāng)中，采用碰撞電離系數(shù)更大的電子來(lái)觸發(fā)雪崩將會(huì)得到高增益、低噪聲的效果。
[0003]一般地，將波長(zhǎng)A=1nm?400nm的光譜區(qū)叫做紫外光區(qū)，最重要的紫外光源就是太陽(yáng)。到達(dá)地表的陽(yáng)光中波長(zhǎng)低于280nm部分都已被臭氧層完全吸收掉，制作能夠探測(cè)波長(zhǎng)λ低于280nm的紫外光電探測(cè)器就能實(shí)現(xiàn)日盲應(yīng)用，排除太陽(yáng)輻射的干擾。紫外光電探測(cè)器被廣泛應(yīng)用在紫外制導(dǎo)、紫外預(yù)警、紫外干擾以及紫外通訊等軍事領(lǐng)域，也被應(yīng)用在氣體探測(cè)與分析、污染監(jiān)測(cè)、水銀消毒以及火焰?zhèn)鞲械让裼妙I(lǐng)域。
[0004]m族氮化物是第三代半導(dǎo)體，是典型的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，其中包括二元化合物(63111^、厶1~)，三元化合物(厶163111^3~和厶111^)以及四元化合物厶111^31具有寬禁帶，電子漂移飽和速度高、介電系數(shù)小、耐高溫、耐腐蝕、抗腐蝕、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，非常適合制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子、光電子器件。m族氮化物是直接帶隙化合物，GaN的禁帶寬度為3.39eV(對(duì)應(yīng)于真空波長(zhǎng)為366nm)，A1N的禁帶寬度為6.2eV(對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)為200nm)，通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN化合物中Al的組分可以實(shí)現(xiàn)材料吸收波長(zhǎng)在200nm?366nm范圍，自然也能實(shí)現(xiàn)日盲范圍的探測(cè)，而硅材料對(duì)紫外波段的響應(yīng)度很低，無(wú)法有效地對(duì)紫外光進(jìn)行探測(cè)。ΙΠ族化合物薄膜生長(zhǎng)技術(shù)越來(lái)越成熟，目前AlGaN薄膜的生長(zhǎng)是在AlN緩沖層和GaN成核層上通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD或者分子束外延MBE完成的，這種材料將成為紫外區(qū)光電探測(cè)的首選材料。
[0005]目前，以AlGaN材料制作的紫外雪崩光電探測(cè)器大都以藍(lán)寶石或者SiC為襯底，以AlN為緩沖層，以GaN為成核層制作而成，但是其吸收層和倍增層幾乎都是用同一種材料AlGaN制作，此類紫外雪崩光電探測(cè)器的擊穿電壓一般較高，如陳敦軍等提出了一種高增益的背入射SAM p-1-n-1-n結(jié)構(gòu)的AlGaN紫外雪崩光電探測(cè)器(參見(jiàn)專利:高增益的AlGaN紫外雪崩光電探測(cè)器及其制備方法，申請(qǐng)?zhí)?201310367175.1)，雖然它將吸收區(qū)和倍增區(qū)分離從而實(shí)現(xiàn)高增益以及低噪聲，但是其雪崩電壓為77.5V，因此對(duì)該探測(cè)器的操作需要較高的偏置電壓。相應(yīng)地，硅襯底具有成本低、單晶尺寸大且質(zhì)量高、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)電性能良好等特點(diǎn)，硅材料制作的雪崩區(qū)其擊穿電壓可以很低，并且在硅基上生在AlGaN材料的技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，如李國(guó)強(qiáng)提出了一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜的方法(參見(jiàn)專利:一種生長(zhǎng)在Si襯底上的GaN薄膜及其制備方法和應(yīng)用，申請(qǐng)?zhí)?201410256444.1)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)背景的不足之處，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種紫外雪崩光電探測(cè)器，解決現(xiàn)有技術(shù)中的光電探測(cè)器擊穿電壓較高，成本高的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明由硅基制作的雪崩區(qū)通過(guò)單一載流子(電子)來(lái)觸發(fā)雪崩增益，相較于由AlGaN材料制作的雪崩區(qū)有更低的擊穿電壓和噪聲，將吸收區(qū)和倍增區(qū)分離實(shí)現(xiàn)低擊穿電壓、低噪聲、高增益和高帶寬的一種紫外雪崩光電探測(cè)器。
[0008]因而本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種紫外雪崩光電探測(cè)器，該探測(cè)器其結(jié)構(gòu)從下到上依次為:硅襯底、雪崩層、緩沖層、成核層、吸收層，其特征在于雪崩層為硅基雪崩層。
[0009]進(jìn)一步的，所述的硅基雪崩區(qū)為通過(guò)硅材料P型摻雜和N型摻雜形成耗盡區(qū)制作而成，結(jié)構(gòu)為硅基制作的雪崩結(jié)構(gòu)，通過(guò)P型區(qū)和N型區(qū)的摻雜濃度和厚度來(lái)調(diào)整雪崩擊穿電壓的大小。
[0010]進(jìn)一步的，所述的緩沖層為通過(guò)脈沖激光沉積工藝形成的AlN緩沖層，其厚度為10?30nmo
[0011]進(jìn)一步的，所述的在AlN緩沖層上通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)GaN成核層，其厚度為3?1nm0
[0012]進(jìn)一步的，所述的在GaN成核層上外延生長(zhǎng)AlGaN吸收層，該吸收層分為上、下兩層，下層為本征1-AlyGai—yN吸收層，其厚度為120nm?240nm，其中0〈y〈l，通過(guò)改變Al的組分用于調(diào)控吸收紫外光的波段;上層是？型摻雜的？414&1—』，厚度為50?150醒，0〈1〈7〈1，其空穴濃度為2 X 1017cm—3?4 X 1018cm—3，低Al組分的P-AlxGapxN可以在本征1-AlyGai—yN上表面引入負(fù)極化電荷，產(chǎn)生一個(gè)向上的內(nèi)建電場(chǎng)，使在吸收層中產(chǎn)生的光生載流子更快地相互分離，提高帶寬。
[0013]需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，本發(fā)明為一種紫外雪崩光電探測(cè)器，相較于其他AlGaN紫外雪崩光電探測(cè)器，其特點(diǎn)和有益效果有:本發(fā)明采用的是在硅材料上面外延生長(zhǎng)AlGaN材料，AlGaN材料作為紫外光吸收區(qū)域，而下面的硅基PN結(jié)、PIN結(jié)構(gòu)或者其他雪崩結(jié)構(gòu)作為雪崩區(qū)域，不同于其他專利中吸收區(qū)和倍增區(qū)都使用同種材料AlGaN制作而成，同時(shí)通過(guò)AlGaN吸收層中Al組分的調(diào)整達(dá)到改變吸收紫外波段的目的，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)日盲紫外光的探測(cè)，相較于硅材料有效地提高了對(duì)紫外波段的響應(yīng);紫外光正入射進(jìn)入AlGaN吸收層，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，由于在吸收層上層低Al組分P型摻雜的AlGaN的極化作用以及外加偏置產(chǎn)生的高電場(chǎng)的共同作用下，空穴快速漂移到達(dá)P型歐姆接觸電極被收集，而碰撞電離系數(shù)更大的電子單獨(dú)快速地進(jìn)入硅基雪崩區(qū)觸發(fā)雪崩倍增，實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益;硅基制作的雪崩區(qū)其擊穿電壓可以很低，并且可以通過(guò)P型區(qū)和N型區(qū)的摻雜濃度和厚度來(lái)調(diào)整，因此可以實(shí)現(xiàn)低電壓偏置的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種紫外雪崩光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例一。
[0016]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例二。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例一
[0019]如圖2所示為一種紫外雪崩光電探測(cè)器，其由下至上包括:硅襯底1、N+摻雜硅2、P型摻雜硅4、A1N緩沖層5、GaN成核層6、本征1-AlyGa1-yN 7、？型摻雜?414&1^ 8、P型歐姆電極9以及N型歐姆電極3，其中本征1-AlyGa1-yN 7和P型摻雜P-AlxGa^xN 8作為吸收層對(duì)紫外光進(jìn)行吸收，P型摻雜硅4和N+摻雜硅2形成PN結(jié)作為硅基雪崩區(qū)通過(guò)光生載流子(主要是電子)產(chǎn)生雪崩倍增，由此實(shí)現(xiàn)AlGaN吸收區(qū)和硅基倍增區(qū)的分離。
[0020]器件結(jié)構(gòu)中，從硅襯底I向上，所述的N+摻雜硅2厚度大約為Iμm，濃度至少為I X119Cnf3，屬于PN結(jié)高濃度的一端；所述的P型摻雜硅4厚度大