[发明专利]一种高线性增益红外雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种高线性增益红外雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

在长距离光纤通信、量子保密通信、生物分子探测、深空探测等技术中，到达红外探测器光敏元上的有效光信号非常微弱，这就要求探测器具有极高的响应灵敏度。相比于普通的光电探测器，雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）通过倍增效应能够进行增益模式探测，响应灵敏度能得到较大提升，因此特别适用于微弱信号甚至单光子级别信号检测。

雪崩光电二极管的工作原理是载流子在强电场作用下与晶格原子碰撞使其电离产生新的电子-空穴对，从而形成电流倍增效应。根据器件施加工作电压的不同，增益模式可分为线性增益和盖革模式增益。传统的体材料雪崩光电二极管在线性模式下增益通常不超过数百量级，要实现微弱信号检测就必须工作于具有高增益的盖革模式，但不足之处是需要使用较为复杂的淬灭电路避免持续的雪崩过程对器件造成永久性损坏，这就限制了在很多领域的应用。以长距离光纤通信通信为例，毫瓦数量级的光功率从光发射机输出经过光纤的传输衰减后仅有十分微弱的光信号到达光接收机处，虽然使用雪崩光电二极管作为光接收器件可以提高信号响应强度，但由于信息传输的持续性其只能工作于线性模式，使得对信号强度的提升非常有限。

为了获得器件在线性模式下高的增益特性，专利CN106409968 A公开了一种基于GaN/AlGaN周期性异质结构作为雪崩区的吸收倍增分离式紫外雪崩探测器件，GaN/AlGaN异质结大的导带带阶和两种材料深的导带Γ能谷从理论上能够保证电子在低散射的情况下发生高效离化碰撞，而同时空穴的离化碰撞由于受到强的散射作用被抑制。这种只有单极载流子发生离化碰撞的情况类似于光电倍增管的工作原理，使得雪崩模式变得可控，但该器件结构吸收区采用AlGaN体材料，只能够对紫外光产生响应。对于在红外波段能线性模式工作的高增益雪崩探测器件目前几乎未见报道。

发明内容

本发明提供了一种具有高线性增益的红外雪崩光电二极管及其制备方法，解决了目前红外波段的雪崩光电二极管不能在线性模式进行高增益探测的问题，以此方式工作的器件摒弃了传统的盖革模式淬灭电路，大大扩展了器件的可应用领域。

本发明的技术方案如下：

高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于，材料结构自下至上包括：衬底、缓冲层、下电极接触层、周期性异质结构倍增层、电荷层、周期性异质结构吸收层和上电极接触层。

所述衬底可以为Al₂O₃、GaN、AlN、Si等材料中的任意一种，用于探测器材料结构生长。

所述缓冲层、下电极接触层、电荷层和上电极接触层所选材料均为Al_xGa_1-xN，0≤x≤1。

所述缓冲层的厚度为0.01 µm至10 µm，用于提高生长材料的质量。

所述下电极接触层的n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.05 µm至10 µm，用于制作n型欧姆接触电极；

所述周期性异质结构倍增层采用GaN/AlN材料结构，周期数为1至200，GaN或AlN层的厚度为0.001 µm至0.2 µm，为载流子发生单极碰撞离化的区域；

所述电荷层的p型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.01 µm至0.15 µm，用于吸收层和倍增层电场的调节；

所述周期性异质结构吸收层采用Al_yGa_1-yN/Al_zGa_1-zN材料系，其中0≤y<z≤1，形成周期数为1至200的量子阱或超晶格结构，电子从导带基态能级到激发态能级的跃迁对应于红外光子的吸收。Al_yGa_1-yN材料n型掺杂，掺杂浓度在5×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.001 µm至0.02 µm，Al_yGa_1-yN厚度为0.001 µm至0.1 µm；