本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管及制備方法。

背景技術(shù)：

自第一根光纖問(wèn)世以來(lái)，以光子為傳輸載體的光纖通信以其容量大、重量輕、價(jià)格便宜、抗電磁干擾、抗腐蝕能力強(qiáng)等多種優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越多人的青睞，使其在眾多的應(yīng)用中開(kāi)始逐步取代以電子為傳輸載體的通信方式。隨著10Gbit/s的光纖通信系統(tǒng)商業(yè)化，40Gbit/s的光纖通信系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，100Gbit/s的光纖通信系統(tǒng)也成為下一代通信系統(tǒng)的理想選擇。

在光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展中，光電探測(cè)器作為一個(gè)不可或缺的部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能起著決定性作用。先前的光探測(cè)器，因?yàn)橐獧z測(cè)弱的光信號(hào)，所以其必須要求有很好的靈敏性，高速性能也同等重要；而現(xiàn)在，由于在探測(cè)器前面放置了光放大器，光探測(cè)器對(duì)靈敏度的要求已不是關(guān)鍵，但是高光功率限制了高速特性，因此新的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出在高光功率下仍能有高速特性的光探測(cè)器。因此，應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)的光探測(cè)器，其性能的優(yōu)劣要從高速飽和輸出特性和響應(yīng)帶寬兩個(gè)方面來(lái)衡量。對(duì)于傳統(tǒng)的PIN光探測(cè)器，由于受到空間電荷效應(yīng)的限制，很難在高電流密度條件下保持高速響應(yīng)，帶寬和響應(yīng)度之間相互制衡。

為了解決問(wèn)題，提出了紫外單行載流子光電探測(cè)器，這種探測(cè)器只采用高速電子作為有源載載流子，并且電子在集結(jié)層的過(guò)沖速度非常高，減少了空間電荷，從而使其相比較普通的PIN光探測(cè)器具有更高的工作電流密度，最終使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和高速飽和輸出性能。紫外探測(cè)在民用和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括化學(xué)和生物分析、火焰探測(cè)，光通信、紫外光源的校準(zhǔn)以及天文學(xué)研究。在上述應(yīng)用中，需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是對(duì)微弱紫外光信號(hào)甚至單光子的檢測(cè)。這是由于空氣對(duì)紫外光的吸收很強(qiáng)烈，紫外光在大氣中衰減很快，到達(dá)探測(cè)端的強(qiáng)度很低。對(duì)于微弱紫外光信號(hào)，通常采用具有增益的光電倍增管PMT或者半導(dǎo)體雪崩光電二極管APD來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。光電倍增管PMT盡管具有高增益和低噪聲，但是其體積大且玻璃外殼易碎，同時(shí)還需要很高的電源功率。

目前，最常用的紫外光電探測(cè)器是基于Si材料的光電二極管，Si材料是晶體質(zhì)量最高的材料。這是因?yàn)镾i中的電子和空穴碰撞電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)的能力差別最大，可以通過(guò)設(shè)計(jì)器件只讓電子這一種載流子發(fā)生雪崩。但是，Si和其他窄禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器一樣面臨如下的一些固有的局限性：首先，對(duì)于Si或GaAs等這些窄禁帶半導(dǎo)體而言，紫外光的能量遠(yuǎn)高于其帶隙，它們?cè)谧贤夤獾恼丈湎潞苋菀桌匣４送?，通常是SiO2鈍化層，會(huì)減少深紫外線范圍的量子效率，同時(shí)也面臨紫外線照射退化的問(wèn)題。這些器件的另一個(gè)限制是其同時(shí)對(duì)低能量的光子也具有響應(yīng)，因此必須使用昂貴和復(fù)雜的濾波器來(lái)阻擋可見(jiàn)光和紅外線光子，導(dǎo)致有效面積有顯著損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題的一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管及制備方法，只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出的紫外光電二極管，使得紫外光電二極管具備了高響應(yīng)速率和高速飽和電流，同時(shí)獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗，并且制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管，包括襯底，所述襯底上依次生長(zhǎng)有n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN外延層上設(shè)有n型接觸電極，所述p型GaN接觸層上設(shè)有p型接觸電極。

作為優(yōu)選的，所述襯底為藍(lán)寶石襯底，所述藍(lán)寶石襯底為晶格是(0001)的氧化鋁的單晶。

作為優(yōu)選的，所述襯底和n型AlGaN外延層間生長(zhǎng)有AlN緩沖層，所述AlN緩沖層厚度為4000nm。

作為優(yōu)選的，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層和第二n型AlGaN收集層；所述n型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.45，Ga組分為0.55。

作為優(yōu)選的，所述第二n型AlGaN收集層為n型摻雜，摻雜材料是Si，摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

作為優(yōu)選的，所述p型AlGaN外延層依次包括p型AlGaN過(guò)渡層、p型AlGaN吸收層和p型AlGaN電子阻擋層，所述p型AlGaN過(guò)渡層連接n型AlGaN外延層，所述p型AlGaN電子阻擋層連接p型GaN接觸層；所述p型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.38，Ga組分為0.62。

作為優(yōu)選的，所述p型AlGaN過(guò)渡層和p型AlGaN吸收層為p型摻雜，摻雜材料為Si，p型AlGaN過(guò)渡層底部摻雜濃度為2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN過(guò)渡層頂部和p型AlGaN吸收層底部摻雜濃度為5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收層頂部摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管的制作方法，包括以下步驟：

S1、在襯底正面生長(zhǎng)AlN緩沖層、n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；

S2、制作n型接觸電極和p型接觸電極。

作為優(yōu)選的，所述步驟S1具體包括：在1000～1300℃生長(zhǎng)溫度下，通過(guò)MOCVD工藝在襯底表面依次生長(zhǎng)AlN緩沖層、n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層、第二n型AlGaN收集層，所述p型AlGaN外延層包括p型AlGaN過(guò)渡層、p型AlGaN吸收層、p型AlGaN電子阻擋層。

作為優(yōu)選的，其特征在于，所述步驟S1中才用MOCVD生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為1000～1300℃。

作為優(yōu)選的，其特征在于，所述步驟S2具體包括:

S21、經(jīng)過(guò)光刻處理后，通過(guò)磁控濺射在第一n型AlGaN收集層上鍍Pt-Ti-Pt-Au制作出環(huán)形p型接觸電極；

S22、對(duì)p型GaN和p型AlGaN材料進(jìn)行腐蝕，制作出直徑為40μm的圓形上臺(tái)面，經(jīng)過(guò)光刻處理和磁控濺射制作出n型接觸電極，并腐蝕出60μm的圓形下臺(tái)面；

S23、光刻處理，并通過(guò)磁控濺射鍍Ti-Au制作正負(fù)金屬電極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管，包括依次設(shè)置的襯底、n型AlGaN收集層、p型AlGaN吸收層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN收集層上設(shè)有n型接觸電極，所述p型AlGaN上設(shè)有p型接觸電極；只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出，使得紫外光電二極管具備了高響應(yīng)速率和高速飽和電流，同時(shí)獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗等特點(diǎn)；而且制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的光電二極管的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光電二極管制作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了一種一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管(Ultraviolet-Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UUTC-PD)的結(jié)構(gòu)框圖，包括襯底，所述襯底上依次生長(zhǎng)有n型AlGaN外延層、p型AlGaN外延層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN外延層上設(shè)有n型接觸電極，所述p型GaN接觸層上設(shè)有p型接觸電極。

作為優(yōu)選的，所述襯底為藍(lán)寶石、SiC或者Si襯底，在本實(shí)施例中，才用藍(lán)寶石襯底，有利于與其他有源或者無(wú)源光器件進(jìn)行集成，所述藍(lán)寶石襯底是晶格為(0001)的氧化鋁的單晶。

作為優(yōu)選的，所述襯底和n型AlGaN外延層間生長(zhǎng)有AlN緩沖層，所述AlN緩沖層厚度為4000nm。

作為優(yōu)選的，所述n型AlGaN外延層包括第一n型AlGaN收集層(即圖中的n-AlGaN次收集層)和第二n型AlGaN收集層(即圖中的n-AlGaN收集層)；所述第一n型AlGaN收集層厚度為1200nm，第二n型AlGaN收集層的厚度為300nm，所述n型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.45，Ga組分為0.55。

作為優(yōu)選的，所述第二n型AlGaN收集層為n型摻雜，摻雜材料是Si，摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³。

作為優(yōu)選的，所述p型AlGaN外延層依次包括p型AlGaN過(guò)渡層、p型AlGaN吸收層和p型AlGaN電子阻擋層，所述p型AlGaN過(guò)渡層連接n型AlGaN外延層，所述p型AlGaN電子阻擋層連接p型GaN接觸層；所述p型AlGaN外延層中AlGaN材料的Al組分為0.38，Ga組分為0.62。

在本實(shí)施例中，p型AlGaN過(guò)渡層的厚度為30nm，p型AlGaN吸收層的厚度為900nm，p型AlGaN電子阻擋層的厚度為1200nm，p型GaN的厚度為150nm。

作為優(yōu)選的，所述p型AlGaN過(guò)渡層和p型AlGaN吸收層為p型摻雜，摻雜材料為Si，p型AlGaN過(guò)渡層底部摻雜濃度為2x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN過(guò)渡層頂部和p型AlGaN吸收層底部摻雜濃度為5x10¹⁷原子/cm³，p型AlGaN吸收層頂部摻雜濃度為5x10¹⁸原子/cm³，整個(gè)p型AlGaN過(guò)渡層和p型AlGaN吸收層的摻雜濃度從下至上線性增加。

圖2示出了一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管的制作方法，包括以下步驟：

S1、在襯底正面生長(zhǎng)依次生長(zhǎng)厚度為4000nm的AlN緩沖層、厚度為1200nm的第一n型AlGaN收集層、厚度為300nm的第二n型AlGaN收集層、厚度為30nm的p型AlGaN過(guò)渡層、厚度為900nm的p型AlGaN吸收層、厚度為1200nm的p型AlGaN電子阻擋層、厚度為150nm的p型GaN接觸層；

S2、在第一n型AlGaN收集層上制作n型接觸電極，在p型GaN接觸層上制作p型接觸電極。

作為優(yōu)選的，所述步驟S1中才用MOCVD生長(zhǎng)外延層，生長(zhǎng)溫度為1000～1300℃。

作為優(yōu)選的，所述步驟S2具體包括:

S21、通過(guò)濕法腐蝕方法進(jìn)行器件的制備，經(jīng)過(guò)光刻處理后，通過(guò)磁控濺射在第一n型AlGaN收集層上鍍Pt-Ti-Pt-Au制作出環(huán)形p型接觸電極；

S22、對(duì)p型GaN和p型AlGaN材料進(jìn)行腐蝕，制作出直徑為40μm的圓形上臺(tái)面，經(jīng)過(guò)光刻處理和磁控濺射制作出n型接觸電極，并腐蝕出60μm的圓形下臺(tái)面；

S23、光刻處理，并通過(guò)磁控濺射鍍Ti-Au制作金屬(正負(fù))電極，使用聚酰亞胺對(duì)器件進(jìn)行鈍化處理，得到高速高速飽和單行載流子紫外光電二極管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供一種高速飽和單行載流子紫外光電二極管(UUTC-PD)結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置的襯底、n型AlGaN收集層、p型AlGaN吸收層和p型GaN接觸層；所述n型AlGaN收集層上設(shè)有n型接觸電極，所述p型AlGaN上設(shè)有p型接觸電極；只采用電子作為有源載流子的高速、高速飽和輸出，使得紫外光電二極管具備了高響應(yīng)速率和高速飽和電流，同時(shí)獲得了高量子效率，并減少了紫外光電二極管的損耗等特點(diǎn)；而且制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。