[发明专利]一种用于紫外探测的雪崩光电二极管及其制备方法和工作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件技术领域，涉及紫外探测用雪崩光电二极管，具体为一种用于紫外探测的雪崩光电二极管及其制备方法和工作方法。

背景技术

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的新一类光电探测技术。由于其在军事和民用方面的重要应用，紫外探测技术多年来一直受到世界各主要国家的优先发展。目前，紫外探测器主要分真空探测器件和固体探测器件两大类。真空探测器件主要是基于紫外光电倍增管。紫外光电倍增管虽然已经被开发多年，并已经被实际应用到紫外预警系统上(如：美国和德国合作研制的AAR-60系统)；但由于其体积大，功耗多、工作电压高等缺点，由它组装而成的紫外成像系统体积也较大，而且功耗和成本都非常高，因而限制了紫外成像系统的应用。在这一背景下，各国一直在注重发展能够满足应用需要的固体紫外探测器。固体紫外探测器是一种新型的紫外探测器件，包括紫外增强型硅光电二极管，紫外雪崩二极管，GaAs和GaP等紫外探测器，以及基于宽禁带半导体的紫外探测器。虽然基于硅材料和其它常规III-V族化合物半导体的紫外探测器工艺已经较成熟；但由于这些材料具有较小的禁带宽度，相应探测器必须要加装价格昂贵的滤波器才可以有选择性地工作在紫外波段。此外，受滤波器较大体重的影响，这些探测器在航天航空领域的应用受到限制。新一代宽禁带半导体材料(以禁带宽度大于2.5eV为基本特征)的出现，如：氮化镓(GaN)，氧化锌(ZnO)，碳化硅(SiC)，钻石(Diamond)等，为高性能紫外探测器的研究和应用开发注入了新的活力。在紫外探测应用领域，宽禁带半导体对紫外光的吸收由其禁带宽度所决定，因而具有天然的频段选择性而不需要加配滤波器；同时，宽禁带半导体材料还往往具有导热性能好、电子漂移饱和速度高以及化学稳定性佳等优点，是制作紫外探测器件的理想材料。

常规的紫外探测器件结构包括：光导型，PIN型、MSM型、肖特基型，以及雪崩二极管(Avalanche Photo-diode，APD)型等。光导型探测器虽然可以具有较高的增益，但器件的响应速度很慢，且暗电流普遍较高，使其仅限于对反应速度和信噪比要求低的应用领域。PIN型、MSM型、和肖特基型紫外探测器都是较为成熟的器件类型，在暗电流、带宽、和量子效率等关键指标方面均可以做得很高；但这三种器件均没有增益，这样就限制了它们对微小信号的探测能力。和常规的光电二极管相比，雪崩光电二极管是具有内部光电流增益的半导体光电子器件。它利用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。这种器件具有小型、灵敏、快速等优点，特别适用于微弱光信号的探测和接收，在国防预警与跟踪、航空航天、生命科学和其他光电转换处理系统中应用广泛；性能优异的雪崩光电二极管甚至可以实现单光子探测。

传统的雪崩光电二极管基本采用PIN结构，其特征是在P和N半导体材料之间加入一层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，如图1；由于这一低掺杂本征层的存在，二极管在反向偏压时，电压几乎全部降落在深耗尽的I层上。其工作原理是：当二极管被加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增；当载流子的雪崩增益非常高时，二极管就进入到雪崩击穿状态。由于碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，因而雪崩光电二极管可具有内部的光电流增益。从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作在接近但没有达到雪崩击穿状态。

目前，基于宽禁带半导体，特别是GaN基材料的PIN雪崩光电二极管已经有所报道。虽然这些器件展示出了若干吸引人的性能指标，如雪崩增益可以超过10000，但综合性能不高，离实用化还有一段距离。研制这些器件所面临的主要技术难点包括：

(1)制备工艺复杂，不仅需要精确生长多层半导体外延结构，而且工艺制备需要采用台面刻蚀，N型和P型欧姆接触，表面钝化处理等；

(2)受半导体材料晶体质量限制，器件的成品率和可靠性不高。具体来讲，目前主流的宽禁带半导体材料，如：GaN，ZnO，都需要采用异质外延方法生长在其他衬底材料上，因此沿外延生长方向薄膜中就存在许多位错，这些位错将贯穿整个PIN结构并平行于外加电场方向，成为器件在高场工作模式下的薄弱区域，可造成器件过早地发生破坏性击穿；