本發(fā)明屬于寬禁帶半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器。

背景技術(shù)：

目前，隨著探測(cè)技術(shù)的不斷升級(jí)，紫外探測(cè)器正由第一、二代電真空器件向第三代靈巧型的全固態(tài)器件發(fā)展。根據(jù)材料體系的不同，全固態(tài)紫外探測(cè)器主要分為ZnMgO/ZnO、金剛石、Si、SiC、AlGaN/GaN等幾類(lèi)技術(shù)。其中，ZnMgO/ZnO與金剛石雖然在材料屬性上具有寬禁帶、熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但受制于現(xiàn)有的材料技術(shù)水平，該兩類(lèi)探測(cè)器均存在電學(xué)特性重復(fù)性差，持續(xù)光電流效應(yīng)明顯，探測(cè)靈敏度較低的問(wèn)題，目前尚不能在技術(shù)上得到有效解決。Si探測(cè)器的材料技術(shù)與器件工藝成熟，可在紫外波段獲得較高的靈敏度，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)本征紫外截止，在使用中需要紫外濾光片的配合，并且成像探測(cè)需在深制冷條件下工作。SiC與(Al)GaN探測(cè)器均屬于寬禁帶半導(dǎo)體器件，可實(shí)現(xiàn)本征紫外響應(yīng)，材料屬性?xún)?yōu)越，相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為充分，現(xiàn)已成為高靈敏固態(tài)紫外探測(cè)器的主要發(fā)展方向。與SiC相比，(Al)GaN屬于直接帶隙半導(dǎo)體，光電吸收系數(shù)高，且通過(guò)組分變化可實(shí)現(xiàn)禁帶寬度連續(xù)可調(diào)，施行異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得探測(cè)器可采用背照式結(jié)構(gòu)，尤其適合于倒裝混成的高靈敏焦平面陣列成像器件制作。

由于對(duì)大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境而言，紫外信號(hào)均非常微弱，尤其在紫外告警、生化戰(zhàn)劑探測(cè)、光電制導(dǎo)以及NLOS通信、量子通信等應(yīng)用中，探測(cè)器的最低接收輻照接近單光子量級(jí)，這要求探測(cè)器具有一個(gè)很高水平的內(nèi)部光電流增益。然而，普通的PIN光電二極管或線(xiàn)性模式的APD難以滿(mǎn)足要求，也就是說(shuō)，目前GaN單光子雪崩探測(cè)器存在雪崩內(nèi)增益不足、單光子探測(cè)效率偏低、所需工作偏壓較高等性能問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器，以解決目前GaN單光子雪崩探測(cè)器存在的雪崩內(nèi)增益不足、單光子探測(cè)效率偏低、所需工作偏壓較高的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器，包括由上向下依次設(shè)置的p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層、n—-GaN空穴注入層和n-AlGaN下接觸層，其中所述n—-GaN空穴注入層為輕摻雜。

在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構(gòu)成側(cè)面為梯形的斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)，且在所述p-GaN上接觸層的上表面設(shè)置有上電極，在所述n-AlGaN下接觸層的上表面上設(shè)置有下電極。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器還包括由上向下依次設(shè)置的多層緩沖區(qū)、AIN模板層或成核緩沖層、襯底和微透鏡，所述多層緩沖區(qū)為所述n-AlGaN下接觸層的下一層。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述p-GaN上接觸層的厚度取值范圍為250nm～300nm，有效摻雜濃度≥1E+18cm^-3，受主雜質(zhì)為Mg。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述i-GaN雪崩倍增層的的厚度取值范圍為100nm～200nm，背景載流子濃度為≤5E+16cm^-3。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述n—-GaN空穴注入層的厚度取值范圍為100nm～150nm，有效摻雜濃度為5～9E+17cm^-3，施主雜質(zhì)為Si。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述n-AlGaN下接觸層的Al組分的摩爾分?jǐn)?shù)為30％～50％，外延厚度≥200nm，有效摻雜濃度為3～5E+18cm^-3，施主雜質(zhì)為Si。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)的傾斜角≤45°，且其臺(tái)面為圓形。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述多層緩沖區(qū)采用多周期AlN/AlGaN超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)，Al組分的摩爾分?jǐn)?shù)大于70％，周期數(shù)不少于10。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述微透鏡與斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)的臺(tái)面對(duì)應(yīng)設(shè)置。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用背入射p-i-n—-n型異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，利用n—-GaN空穴注入層層內(nèi)的空穴少子發(fā)動(dòng)倍增，可以獲得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入層為輕摻雜時(shí)，該層的插入大大提高了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自由度，低摻雜濃度一方面可有效減小雜質(zhì)散射作用，有利于提高少子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，增大光生空穴向本征倍增區(qū)(i-GaN)的注入效率；另一方面，通過(guò)調(diào)制n—-GaN層厚度，可有效抑制異質(zhì)界面失配位錯(cuò)缺陷向i-GaN倍增內(nèi)的攀延，避免整個(gè)器件發(fā)生體內(nèi)提前擊穿。n—-GaN層的摻雜濃度與厚度等參數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)定在合適范圍內(nèi)，否則，由于梯度電場(chǎng)的存在及電荷區(qū)的拓寬，i-GaN倍增區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度有可能難以達(dá)到離化臨界閾值；

2、本發(fā)明以n—-GaN/n-AlGaN異質(zhì)結(jié)取代傳統(tǒng)pin型結(jié)構(gòu)的n-GaN層，n—-GaN作為吸收注入層，n-AlGaN作為下接觸層，既利于有源區(qū)外延材料的晶體質(zhì)量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN層的摻雜濃度、厚度等參數(shù)靈活可調(diào)，通過(guò)折衷?xún)?yōu)化可在較低工作偏壓下獲得極高的雪崩增益；

3、本發(fā)明通過(guò)使所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構(gòu)成側(cè)面為梯形的斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)，對(duì)臺(tái)面斜角的工藝進(jìn)行控制，可以有效降低臺(tái)面?zhèn)缺诘谋砻骐妶?chǎng)，避免器件因表面漏電發(fā)生提前擊穿；

4、本發(fā)明通過(guò)在襯底背面制作微透鏡，可以通過(guò)光學(xué)匯聚效應(yīng)補(bǔ)償斜臺(tái)面與小光敏面造成的光能量收集問(wèn)題，從而可以進(jìn)一步提高器件靈敏度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實(shí)施例的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

參見(jiàn)圖1，為本發(fā)明p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。該p-i-n—-n型GaN單光子雪崩探測(cè)器可以包括包括由上向下依次設(shè)置的p-GaN上接觸層110、i-GaN雪崩倍增層120、n—-GaN空穴注入層130、n-AlGaN下接觸層140、多層緩沖區(qū)150、AIN模板層或成核緩沖層160、襯底170和微透鏡180，其中所述n—-GaN空穴注入層130為輕摻雜，所述p-GaN上接觸層110、i-GaN雪崩倍增層120和n—-GaN空穴注入層130構(gòu)成側(cè)面為梯形的斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)，且在所述p-GaN上接觸層110的上表面設(shè)置有上電極190，在所述n—-GaN空穴注入層130兩側(cè)，所述n-AlGaN下接觸層140的上表面上設(shè)置有下電極200。需要注意的是：每層前面所標(biāo)記的材料符號(hào)(諸如p-GaN、i-GaN、n—-GaN和n-AlGaN)都表示該層由對(duì)應(yīng)的該種材料制成，并且n—表示該層為n型輕摻雜。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用背入射p-i-n—-n型異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)，利用n—-GaN空穴注入層層內(nèi)的空穴少子發(fā)動(dòng)倍增，可以獲得更高雪崩增益。n—-GaN空穴注入層為輕摻雜時(shí)，該層的插入大大提高了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自由度，低摻雜濃度一方面可有效減小雜質(zhì)散射作用，有利于提高少子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，增大光生空穴向本征倍增區(qū)(i-GaN)的注入效率；另一方面，通過(guò)調(diào)制n—-GaN層厚度，可有效抑制異質(zhì)界面失配位錯(cuò)缺陷向i-GaN倍增內(nèi)的攀延，避免整個(gè)器件發(fā)生體內(nèi)提前擊穿。n—-GaN層的摻雜濃度與厚度等參數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)定在合適范圍內(nèi)，否則，由于梯度電場(chǎng)的存在及電荷區(qū)的拓寬，i-GaN倍增區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度有可能難以達(dá)到離化臨界閾值。本實(shí)施例中，所述n—-GaN空穴注入層130的厚度為100nm～150nm，有效摻雜濃度為5～9E+17cm^-3，施主雜質(zhì)為Si。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用重?fù)诫s的寬帶隙N-AlGaN作為下接觸層140，既能避免目標(biāo)譜段光子到達(dá)n—-GaN(吸收注入層)之前的背入射吸收，又能緩釋晶格失配應(yīng)力，改善有源區(qū)界面質(zhì)量，降低光生載流子的界面復(fù)合。本實(shí)施例中，所述n-AlGaN下接觸層140的Al組分的摩爾分?jǐn)?shù)為30％～50％，外延厚度≥200nm，有效摻雜濃度為3～5E+18cm^-3，施主雜質(zhì)為Si。本發(fā)明以n—-GaN/n-AlGaN異質(zhì)結(jié)取代傳統(tǒng)pin型結(jié)構(gòu)的n-GaN層，n—-GaN作為吸收注入層，n-AlGaN作為下接觸層，既利于有源區(qū)外延材料的晶體質(zhì)量改善，又能提高外量子效率和空穴少子注入效率，n—-GaN層的摻雜濃度、厚度等參數(shù)靈活可調(diào)，通過(guò)折衷?xún)?yōu)化可在較低工作偏壓下獲得極高的雪崩增益。

另外，本發(fā)明通過(guò)使所述p-GaN上接觸層、i-GaN雪崩倍增層和n—-GaN空穴注入層構(gòu)成側(cè)面為梯形的斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)，對(duì)臺(tái)面斜角的工藝進(jìn)行控制，可以有效降低臺(tái)面?zhèn)缺诘谋砻骐妶?chǎng)，避免器件因表面漏電發(fā)生提前擊穿。本實(shí)施例中，斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)的傾斜角≤45°，且其臺(tái)面為圓形，圓形利于制作均勻性良好的斜臺(tái)面，與方形比較，更有利于改善邊緣電場(chǎng)的分布特性；此外，還可以采用SiO2或SiNx介質(zhì)膜鈍化器件斜臺(tái)面。本發(fā)明通過(guò)在襯底背面制作微透鏡，可以通過(guò)光學(xué)匯聚效應(yīng)補(bǔ)償斜臺(tái)面與小光敏面造成的光能量收集問(wèn)題，從而可以進(jìn)一步提高器件靈敏度。

本實(shí)施例中，可以利用MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)制備圖1所示的外延結(jié)構(gòu)，其中外延材料襯底170可以為雙面拋光藍(lán)寶石或AlN單晶襯底，襯底170上生長(zhǎng)AlN模板層或成核緩沖層160，其作用是緩釋晶格失配應(yīng)力、抑制晶格失配位錯(cuò)，改善后續(xù)材料生長(zhǎng)質(zhì)量。由于AlN模板層或成核緩沖層160的厚度太薄不能有效抑制失配位錯(cuò)的攀延，厚度太厚將導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，為了避免出現(xiàn)上述缺陷，本實(shí)施例中AlN模板層或成核緩沖層160厚度的取值范圍為0.8μm～1.5μm。在AlN模板層或成核緩沖層160上生長(zhǎng)多層緩沖區(qū)150，該多層緩沖區(qū)150，可以采用多周期AlN/AlGaN超晶格緩沖層結(jié)構(gòu)(即AlN/AlGaN交替生長(zhǎng)，最底層為AIN層)，目的是進(jìn)一步有效緩釋晶格失配應(yīng)力、抑制晶格失配位錯(cuò)，超晶格層厚極薄(幾十納米)，可以實(shí)現(xiàn)完全應(yīng)變生長(zhǎng)，避免失配應(yīng)力造成的晶格弛豫，能夠有效抑制位錯(cuò)缺陷。此外，多層緩沖區(qū)150中Al組分的摩爾分?jǐn)?shù)不低于70％，Al組分過(guò)小容易造成AlN/AlGaN之間的應(yīng)力增大，超晶格周期數(shù)不低于10，周期數(shù)過(guò)少對(duì)位錯(cuò)缺陷抑制效果不理想。

在多層緩沖區(qū)150上生長(zhǎng)n+-AlxGa1-xN下接觸層140，在n+-AlxGa1-xN下接觸層140上生長(zhǎng)n—-GaN空穴注入層130，在n—-GaN空穴注入層130上生長(zhǎng)i-GaN雪崩倍增層120，在i-GaN雪崩倍增層120上生長(zhǎng)p-GaN上接觸層110。其中，p-GaN上接觸層110的厚度太薄無(wú)法獲得高質(zhì)量的接觸層材料，太厚不利于光生載流子的收集；較高的p型有效摻雜濃度是獲得低阻歐姆接觸的重要前提。因此，p-GaN上接觸層110厚度的取值范圍為250nm～300nm，有效摻雜濃度≥1E+18cm-3，受主雜質(zhì)為Mg。

采用斜臺(tái)面工藝制作器件，臺(tái)面斜角≤45°，臺(tái)面為圓形臺(tái)面；采用SiO2或SiNx介質(zhì)膜鈍化器件斜臺(tái)面；下電極采用Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au多層金屬，上電極采用Ni/Au雙層金屬。采用雙面光刻、干法刻蝕等工藝在器件芯片背面原位制作微透鏡，微透鏡結(jié)構(gòu)尺寸與光敏元尺寸及斜角大小相匹配，滿(mǎn)足高效率聚光要求。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說(shuō)明書(shū)及實(shí)踐這里公開(kāi)的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開(kāi)的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。