[发明专利]一种增益型异质结紫外光电探测器

说明书

本发明公开了一种增益型异质结紫外光电探测器，包括衬底及生长于衬底之上的外延层；所述外延层自下而上依次包括成核层、非故意掺杂Al_kGa_1‑kN缓冲层、Al_xGa_1‑xN组分过渡层、非故意掺杂Al_yGa_1‑yN层、非故意掺杂Al_zGa_1‑zN层、非故意掺杂Al_yGa_1‑yN层、受主掺杂Al_mGa_1‑mN层以及分布于非故意掺杂Al_zGa_1‑zN层上的叉指型接触电极，其中Al组分x的起始值≤k，终止值为y；yz。通过受主掺杂Al_mGa_1‑mN层来耗尽非故意掺杂Al_yGa_1‑yN层与其上方非故意掺杂Al_zGa_1‑zN层异质结界面处的二维电子气，具有光暗拒绝比高、光电增益高、响应速度快的优点。

技术领域

本发明涉及Ⅲ族氮化物半导体紫外光探测器技术领域，尤其涉及一种增益型异质结紫外光电探测器。

背景技术

紫外探测在军事和民用领域均具有广泛的应用，如化学和生物分析(臭氧、污染物和大多数有机化合物紫外吸收谱线的探测)、火焰检测(包括火警、导弹预警或燃烧监测)、保密光学通信(波长小于280nm的卫星间光通信)、发射器校准(仪表、紫外线光刻技术)和天文研究等。目前，商用的紫外探测器主要是基于真空电子技术的光电倍增管(PMT)和基于成熟半导体材料Si 的固态光电探测器。光电倍增管探测器需要工作在较高电压(一般在1000V 左右)下，且体积也较大；而Si基紫外光电探测器尽管具有体积小、工作电压低的优点，但由于禁带宽度小，光响应波长覆盖了近红外至紫外区域，无法避免对紫外光之外的长波长背景光噪声的干扰。同样，光电倍增管也存在着相同的问题，都需要使用波长滤波片来实现对可见光、近紫外光具有波长拒绝比的响应(即，通常所谓的可见光盲、日盲紫外光响应)。

基于Ⅲ族氮化物半导体的宽禁带三元化合物AlGaN基紫外光电探测器，因AlGaN材料的直接带隙、禁带宽度随Al组分增大可由3.43eV增至6.2 eV的材料特性，具有量子效率高、可实现本征可见光盲、日盲紫外探测的性能优势。与现行的紫外光电倍增管和Si基固体紫外光电探测器相比，AlGaN 基光电探测器具有无需附加紫外滤光片、光电转换效率高、体积小、耐辐射等优点而成为当前最具应用前景的紫外探测器件。在紫外信号的探测过程中，由于紫外信号在大气传输中衰减严重，通常情况下被探测的紫外信号都非常微弱，因此面向实际应用的紫外光电探测器需要具有低暗电流和高光电增益特性。目前，雪崩光电探测器是优选的增益型光电探测器件之一。但是，雪崩光电探测器一般需要在雪崩击穿条件下才会有高光电增益，对器件的外延材料质量要求极高。此外，其获得光电增益的过程会因光生载流子碰撞电离的随机性而伴随产生雪崩过剩噪声，雪崩击穿电压对工作温度也比较敏感。这些都阻碍了AlGaN基雪崩光电探测器实用化应用的实现。与雪崩光电探测器不同，光电导探测器可以在相对低的工作电压下实现高的光电增益，但是光电导探测器在无光照下的阻抗来自半导体本身，而不是整流效应，因此有着暗电流高的缺点，同时在微弱信号下的光电增益低，阻碍了光电导探测器的应用。基于AlGaN异质结场效应结构的光电导探测器即是面临着这些问题。

Ⅲ族氮化物半导体AlGaN由于自发极化和压电极化效应的存在，使得其纤锌矿结构的非故意掺杂异质结界面易于形成二维电子气(2DEG)，由于 2DEG具有饱和电子迁移率高的特点，因此可以用来研制高频、高增益器件。利用这一结构特点，可以制作基于非故意掺杂AlGaN异质结的高速、高增益光电导紫外探测器。但是，如果在无光照下就有二维电子气的存在，光电探测器会具有较高的暗电流，不利于探测微弱紫外光信号。此外，即使这种基于光电导工作机理的光电探测器可以具有高光电增益，但其光电增益随入射光信号强度减弱而下降严重，也需要补强。由于暗电流和光电增益是紫外探测应用的关键技术指标，上述问题的存在严重阻碍了AlGaN异质结光电导探测器的实用化。

发明内容