[发明专利]一种PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及紫外探测器及其制备方法技术领域，特别涉及一种带区域选择生长保护环的PIN结构紫外雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

紫外光电探测器工作在紫外波段，具有天然的低噪声背景，可实现高信噪比探测，被广泛应用于军事及民用上的火焰探测，羽烟探测，环境监控，太空光通信，量子通信等领域。

三族氮化物材料，又称氮化镓GaN基材料（包括AlInGaN、AlGaN、AlInN、GaN和InGaN）属于第三代化合物半导体材料，是新型的电子、光电子探测器材料。由于AlN的禁带宽度为6.2eV，InN的禁带宽度为0.7 eV，GaN的禁带宽度为3.4eV，因此通过调节Al_xIn_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1）材料中的三族金属原子组分x、y，可以使材料带隙从0.7 eV到6.2 eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长可以从近红外部分(1770 nm) 一直延伸到深紫外部分(200 nm)，具有相当宽的光谱范围，适合于多种光电子探测器的制备。

例如，三元化合物Al_xGa_1-xN通过调节带隙可使其对应的吸收波长范围从200到365 nm ,恰好覆盖了地球上被臭氧层所吸收的中紫外波段220～290 nm (太阳光谱盲区) ,是制备日盲型紫外探测器结构的首选材料。三元合金In_yGa_1-yN通过调节In组分，可使其禁带宽度从0.7 eV连续变化到3.4 eV，几乎完整地覆盖了整个太阳光的可见光谱， 在太阳电池中的应用引起了人们密切的关注。此外，GaN基材料还具有禁带宽度大，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探测器，因而成为目前半导体材料的研究热点。

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

微弱光信号的探测是紫外探测领域中的一个重要的应用，尤其是单光子的探测。单光子探测要求探测器具备高响应，高增益的性能，因此探测器需要采用雪崩结构，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，从而对其进行探测。

但是,传统的PIN结构雪崩探测器在应用中会存在以下两个问题：

（1）由于材料本身的缺陷和工艺带来的损伤，探测器表面存在缺陷引起的表面态、表面玷污杂质离子，形成表面反型层。它改变耗尽层的大小和形状，形成表面漏电沟道。这些沟道使探测器电场发生弯曲，增大了探测器表面的局部电场，在加入相同的偏压时，表面相对内部产生提前击穿。光注入的有源区域无法达到雪崩电场强度，使得探测器难以实现高的雪崩增益。

（2）由于探测器的表面电场大于其内部电场，在电场的作用下电子（空穴）容易直接通过探测器边缘的漏电沟道流进N区（P区），形成表面沟道漏电。雪崩效应同时放大探测器这部分漏电流，从而增大探测器的噪声。

那么如何实现稳定的击穿电场和低的漏电流显得尤其重要。对于垂直台面（在探测器的制作过程中，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉，其剩余的部分便呈现出台面形而称为台面）PIN结构紫外雪崩光电探测器来说，表面损伤缺陷主要集中在台阶侧壁，而表面p-i结处的边缘电场为整个探测器电场的峰值，是提前击穿的主要原因。针对表面p-i结处的边缘电场过高这一问题，目前采取的主要方法是利用斜台结构或表面轻掺保护环（guard ring，GR）结构加以解决。

斜台结构是通过干法或湿法刻蚀技术在传统的垂直PIN结构上刻蚀出具有一定倾角的台面，形成正向斜面（Positive Bevel），令台面斜面的空间电荷区长度大于体内空间电荷区长度，由此使得探测器在加上偏压后，台面斜面的电场强度小于体内的电场强度。由于在相同的电压下，斜面的电场强度较垂直PIN结构有源区内的小，所以可以避免由台面侧壁处产生的提前击穿，同时也可相应减小台面侧壁的漏电流。但是,这一方法同样会减少探测器的有效尺寸，且对电场强度和漏电流的改善效果有限。