[发明专利]GaN基p-i-p-i-n结构紫外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，具体涉及一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法。

背景技术

紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有机化合物的吸收线在紫外光谱范围)、火焰探测(包括火灾报警，导弹预警和制导，燃烧监测等)、光通信(特别是卫星间采用波长小于280nm的紫外光进行通信)、紫外光源的校准(仪器，紫外线光刻等)，以及天文学研究。传统的紫外探测主要依靠光电倍增管(PMT)、热探测器、窄禁带半导体光电二极管或电荷耦合器件(CCD)实现。PMT具有高增益和低噪声，但是其体积大且玻璃外壳易碎，同时还需要很高的电源功率。热探测器(高温计或辐射热测量仪)通常用于紫外波段的校准，它的响应速度很慢而且响应度和波长不相关。而半导体光电二极管和CCD具有固态器件的优势，且只需要中等的工作电压。半导体光探测器体积小、重量轻，并且对磁场不敏感。它们具有成本低，线性度好、灵敏度高的优势和高速工作的能力，是实现紫外探测的理想途径。

目前，最常用的紫外光电探测器件是基于Si材料的光电二极管，但是它和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性。首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，钝化层(通常是SiO₂)会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。最后，对于某些高灵敏度的应用，探测器的有源区必须冷却以减少暗电流，冷却后的探测器会作为污染物的冷阱而导致更低的探测率。

基于GaN、SiC等宽禁带半导体材料的紫外光电探测器可以克服上述的诸多缺点。对光电二极管来说，宽的禁带宽度本身就是一个很大的优势，它使得探测器可以在室温工作，同时对可见光不响应。另外，宽禁带半导体击穿场强高、物理和化学性质稳定，十分适合在高温和大功率条件下工作。它们的抗紫外辐照能力强，一般也不需要钝化处理，因此可以提高在紫外波段的响应度和稳定性。在诸多宽禁带半导体材料中，GaN基材料因为属于直接带隙半导体，且禁带宽度随组分可调而格外受到关注。

目前，GaN探测器一般采用p-i-n结构，它具有暗电流小和响应速度快的特点。GaN基p-i-n型结构中i区同时肩负吸收紫外光和进行光放大两层作用，这使得它在工作状态下存在三个缺陷：一是若想提高光吸收效率就必须增加i区厚度，这使得雪崩工作电压会很高；二是由于光生载流子在i区中吸收会导致运动路径缩小，未能有效利用放大路径进行光放大，从而降低了倍增因子；三是无序运动的放大会造成明显的噪声。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何提高紫外探测器的灵敏度，同时提高紫外探测器的适用性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器，自下至上依次包括用于生长Al_xGa_1-xN材料的衬底、n型层、i型倍增层、p型过渡层，i型光敏吸收层和p型层，其中，0≤x≤1。

优选地，在所述p型层上设有p型欧姆电极，在所述n型层上设有n型欧姆电极。

本发明还提供了一种所述探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1、选择用于生长Al_xGa_1-xN材料的衬底；

S2、在所述衬底上生长n型GaN缓冲层或者n型AlN缓冲层；

S3、在所述GaN缓冲层或者AlN缓冲层上生长n型Al_xGa_1-xN层；

S4、在所述n型Al_xGa_1-xN层上生长i型Al_xGa_1-xN倍增层作为光生载流子的雪崩放大区；

S5、在所述i型Al_xGa_1-xN倍增层上生长p型Al_xGa_1-xN过渡层；

S6、在所述p型Al_xGa_1-xN过渡层上生长i型Al_xGa_1-xN光敏吸收层；