一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管及制备方法

摘要

本发明公开了一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管及制备方法，其结构为在双抛透明蓝宝石衬底上依次有缓冲层，非故意掺杂Al

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测器，具体指一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管及制备方法。

背景技术

目前，AlGaN基半导体光电探测器由于具有能带结构为直接禁带，量子效率高，截止波长锐利的优点，而且可以在材料生长时通过掺Al元素来调节响应波段，当Al组份大于0.45时能够实现只对日盲紫外波段响应，在紫外探测领域越来越受到人们重视。AlGaN基雪崩光电二极管探测器(Avalanche Photodiodes,APD)是AlGaN基半导体光电探测器的一种，相比较其它类型探测器，具有响应速度快，具有内增益，可以制作成面阵器件的优点，因此非常适合应用于微弱紫外探测领域，近年来逐渐成为紫外探测器领域的研究热点。

但是，目前AlGaN基雪崩光电二极管面临着雪崩过剩噪声过大的问题，导致器件的信噪比难以提高，严重制约了它的实际应用。根据雪崩过剩噪声理论，器件的过剩噪声与材料中载流子的碰撞离化系数比密切相关，只有碰撞离化系数高的载流子雪崩占据主导地位时，器件的噪声才会最小。基于上述思想，本专利设计了一种新型的具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管。

以上涉及的参考文献如下：

[1]McClintock R,Yasan A,Minder K,et al.Avalanche multiplication inAlGaN based solar-blind photodetectors[J].Applied physics letters,2005,87(24):241123.

[2]Mcintyre R J.Multiplication noise in uniform avalanche diodes[J].IEEE Transactions of Electron Devices,1966,13(1):164-168.

[3]Enrico Bellotti,Francesco Bertazzi,Sara Shishehchi,MasahikoMatsubara,and Michele Goano,Theory of Carriers Transport in III-NitrideMaterials:State of the Art and Future Outlook[J].IEEE Transactions ofElectron Devices,2013,60(10):3204-3215.

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管及制作方法，该器件采用正照射的工作方式，载流子在低电场区域产生，然后电子漂移进入高电场的雪崩倍增区，该区域采用电子碰撞离化系数远高于空穴的AlN材料，使器件的雪崩过剩噪声降至最小。

本发明一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管结构如图1所示，其特征在于，器件结构包括：

一蓝宝石衬底1，衬底厚度在0.3-0.6mm之间；

一缓冲层2，为AlN材料，厚度500nm；

一非故意掺杂Al_0.45Ga_0.55N层3，厚度在1μm左右；

一n型Al_0.45Ga_0.55N层4，厚度0.6-1μm，电子浓度5-8×10¹⁷cm^-3；

一n型欧姆接触电极5，制作在n Al_0.45Ga_0.55N上，金属膜系为Ti/Al/Au，厚度为50nm/50nm/40nm；

一倍增区非故意掺杂AlN层6，材料类型为本征型，载流子浓度小于1×10¹⁶cm^-3，厚度200-250nm；

一p型Al_0.45Ga_0.55N层7，厚度100-120nm，空穴浓度6-8×10¹⁷cm^-3；

一吸收区弱p型Al_0.45Ga_0.55N层8，材料类型为弱p型，载流子浓度小于5×10¹⁶cm^-3，厚度200nm；

一吸收区p型Al_0.45Ga_0.55N层9，厚度150-200nm，空穴浓度2-5×10¹⁷cm^-3；

一p型GaN帽层10，厚度100nm，本层为制作欧姆接触的重掺杂层，空穴浓度大于1×10¹⁸cm^-3；

一钝化层11，本层为SiO₂，厚度250-300nm；

一p型欧姆接触电极12，制作在p GaN帽层上，金属膜系为Ni/Au，厚度为30nm/30nm；

其中倍增区非故意掺杂AlN层6为雪崩倍增区，是影响整个雪崩光电二极管性能的关键区域，要求此处的AlN材料质量要比较高；

其中8和9形成低电场区域的吸收区，光线在本区域产生电子空穴对，电子在电场作用下漂移向下层的雪崩区，空穴漂移向p电极；

其中p型GaN帽层10为重掺杂，目的是作为欧姆接触层，降低p电极的比接触电阻；但是该区域会对波长较长的紫外光线响应，会降低雪崩光电二极管的紫外抑制比，因此须将p电极外暴露的p GaN层刻蚀掉，只保留20-30nm；

其中钝化层11为SiO₂，采用磁控溅射法制备，厚度300-400nm，同时该层作为减反射层。

所说的具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管的制作工艺包括如下步骤：

步骤一：按照图1结构利用MOCVD方法生长AlGaN材料外延片；

步骤二：外延片清洗；

步骤三：在p型GaN帽层10表面制作p型欧姆接触电极；

步骤四：刻蚀p GaN帽层；

步骤五：第二次刻蚀，将材料刻蚀至n型Al_0.45Ga_0.55N层4；

步骤六：在n型Al_0.45Ga_0.55N层4上制备n型欧姆接触电极；

步骤七：生长钝化层SiO₂，并在p电极与n电极处开孔。

本发明的最大优点是设计一种新颖的AlGaN雪崩光电二极管结构，使得光生电子空穴对在低电场区产生，然后电子在电场作用下漂移进入AlN雪崩倍增区产生雪崩，由于AlN材料中电子的碰撞离化系数远远高于空穴，因此电子在该区域倍增，不仅能够产生足够的雪崩增益，而且使得雪崩过剩噪声降至最低。

附图说明

图1为本发明具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管结构示意图；

图中：1.蓝宝石衬底；

2.缓冲层；

3.非故意掺杂Al_0.45Ga_0.55N层；

4.n型Al_0.45Ga_0.55N层；

5.n型欧姆接触电极；

6.倍增区非故意掺杂AlN层；

7.p型Al_0.45Ga_0.55N层；

8.吸收区弱p型Al_0.45Ga_0.55N层；

9.吸收区p型Al_0.45Ga_0.55N层；

10.GaN帽层；

11.钝化层；

12.p型欧姆接触电极。

具体实施方式

下面提供该探测器的具体实施例，并对本发明作进一步的说明。

1材料制备：

在双抛透明蓝宝石衬底(0001)上依次外延生长图1结构中的各层材料。

2材料清洗：

选择外延生长的AlGaN材料，依次采用三氯甲烷、乙醚、丙酮、酒精对其进行清洗，去除表面的油污与杂质，然后用去离子水冲洗干净，再用高纯氮气吹干。

3 p型欧姆接触电极制备：

在GaN帽层10上制备p型欧姆接触电极12，金属膜系为Ni/Au，厚度为30nm/30nm，并在空气氛围550℃下快速退火3分钟，以形成欧姆接触。

4刻蚀：

刻蚀采用ICP(感应耦合等离子体)刻蚀，分为两步：第一步刻蚀p电极外面的GaN帽层，只保留20nm；第二步将材料刻蚀至n型Al_0.45Ga_0.55N层4，过刻150nm，形成图1中的台面结构。

5 n型欧姆接触电极制备：

在n型Al_0.45Ga_0.55N层4上制备n型欧姆接触电极5，接触电极膜系为Ti/Al/Au，厚度为50nm/50nm/40nm，并在N₂氛围750℃下快速热退火30秒，以形成欧姆接触。

6生长钝化层11，采用磁控溅射法生长SiO₂，厚度250nm，并在p电极与n电极处开孔，使p欧姆接触电极12与n欧姆接触电极5暴露出来。

7对衬底进划片，封装，完成低噪声AlGaN基雪崩光电二极管器件的制备。