[发明专利]一种PIN倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种紫外探测器，尤其涉及一种PIN倒置结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

紫外光电探测器主要应用在军事和民用上的火焰探测，羽烟探测，环境监控，太空光通信，量子通信等领域。

GaN属于第三代半导体材料，是新型的电子器件、光电子器件材料，是典型的宽禁带半导体材料。GaN材料具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高，介电常数小，耐高温，耐腐蚀，抗辐射，导热性能好等特性，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的光电子器件，成为目前第三代半导体的研究热点。

在紫外探测领域，相比起传统的真空培增管和硅探测器，GaN紫外雪崩光电探测器有着重要的应用，其优势表现在：（1）直接带隙，量子效率高；（2）背景噪声低，尤其可以利用200nm-280nm的日盲探测窗口；（3）本征探测，无需昂贵的长波长滤波器，成本低；（4）体积小，重量轻，寿命长，抗震性好；（5）耐高温，耐腐蚀，抗辐照，适用于恶劣环境；（6）工作电压低，不需要高压电源（小于200V）。

紫外探测领域的应用尤其是在微弱光信号的探测上，例如单光子探测，要求探测器具备高响应，高增益的性能。因此器件需要采用雪崩结构，光注入产生的电子空穴对在雪崩电场下加速，在获得足够的动能后，通过碰撞电离产生更多的电子空穴对，实现雪崩增益，使微弱信号得到培增。

雪崩增益取决于电子空穴的碰撞电离率之比，M. Razeghi在其文章中指出，衡量雪崩光电二极管的一个重要参数是电离比率                                                （是空穴的碰撞电离系数， 是电子的碰撞电离系数），单载流子雪崩光电二极管具有最优异的性能表现。因此，在设计外延结构时候，可以有意使得电离比率最接近零(电子触发为主)，或最接近无穷大(空穴触发为主) 。（参见文献：[1]M. Razeghi and A. Rogalski，“Semiconductor ultraviolet detectors”, J. Appl. Phys.79, 7433-7473，（1996），pp. 7447-7448。）

对于GaN材料，M. Razeghi和R. McClintock等人的研究表明雪崩增益在空穴触发为主时候的要比电子触发为主时要大，碰撞电离是以空穴触发为主，当光子在n型层注入时候，将会获得最大的增益路径。因此，为了更好发挥GaN材料的性能，在传统的PIN结构（从衬底往上依次为n型层，i型层，p型层）上采用背入射结构是必要的。（参见文献：[2] M. Razeghi, R.McClintock,“ A review of III-nitride research at the Center for Quantum Devices ”, J. Cryst. Growth,311, 3067 (2009)；[3] R. McClintock, J. L. Pau, K. Minder, C. Bayram, P. Kung, and M. Razeghi，“Hole-initiated multiplication in back-illuminated GaN avalanche photodiodes”, Appl. Phys. Lett.90, 141112 (2007)。）

在传统的PIN结构上，其不足之处表现在：

（1）为获得良好性能，采用背入射时候，需要进行衬底减薄，双面抛光，工艺过程复杂；

（2）利用探针台对器件性能测试时，当光信号采用背入射方式，不易测试。

（3）传统结构中，光信号通过背入射方式由衬底、缓冲层进入到p型层时候会被吸收、散射，降低探测器的外量子效率；而如果缓冲层采用AlGaN缓冲层，则会由于AlGaN缓冲层与衬底材料间的晶格与热失配相较于GaN缓冲层更大，导致AlGaN缓冲层及其上生长的有源层中产生高密度缺陷而劣化器件关键性能，如暗电流、量子效率等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有器件结构的不足，提出一种有效改进器件结构缺陷、优化pin结构的性能、提高器件关机性能的PIN倒置结构的紫外雪崩光电探测器及其制备方法。