[发明专利]一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法

说明书

本发明涉及半导体紫外光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法。一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器，其中，包括衬底，利用金属有机化学气相沉积外延外生长法（或分子束外延生长法），依次在衬底上生长的非故意掺杂低温AlN缓冲层，非故意掺杂高温AlN缓冲层，非故意掺杂Al_mGa_1‑mN窗口层，n型Al_mGa_1‑mN层，n型Al_nGa_1‑nN组分缓变层，非故意掺杂Al_aGa_1‑aN吸收倍增层，非故意掺杂Al_bGa_1‑bN吸收倍增层，非故意掺杂Al_cGa_1‑cN吸收倍增层,Mg掺杂p型Al_xGa_1‑xN层，非故意掺杂Al_xGa_1‑xN层,n型Al_yGa_1‑yN组分缓变层和n型Al_zGa_1‑zN层，以及最后利用器件工艺沉积得到的n型欧姆接触电极。

技术领域

本发明涉及半导体紫外光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着信息技术的发展，人们对周围环境信息捕获和探测的手段越来越多样化，紫外光电探测器开始被广泛应用在军事、民用和科研等多个领域，并且人们对高性能紫外光电探测器的需求也日益增强。

目前市场上常见的紫外光电探测器主要是Si基光电二极管和配有滤波片的真空电子光电倍增管。基于III族氮化物半导体（包括二元化合物GaN、AlN，三元化合物AlGaN、InGaN、AlInN以及四元化合物AlInGaN）的紫外光电探测器因该半导体材料系统具有直接带隙，其多元化合物的禁带宽度随组分变化连续可调，从而可以实现本征可见光盲（光响应截止波长在280~363 nm范围）及日盲（光响应截止波长在200~280 nm）紫外探测、抗辐射、耐恶劣环境等特点而备受关注，成为当前的研究热点。其中，基于肖特基和PN结的GaN、AlGaN基可见光盲、日盲紫外光电二极管探测器已经商用化。但是，由于紫外光信号在大气的传输中衰减强烈，在通常情况下，待探测的紫外光信号特别是日盲紫外信号都是非常微弱的，因而要求信号接收端的光电探测器需具备光电增益。目前，在研发的增益型III族氮化物紫外光电探测器主要有雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）和异质结光电晶体（heterojunction phototransistor，HPT）管探测器。对于宽禁带半导体雪崩光电二极管，一般需要在二极管两端施加高反向偏压，在器件的耗尽区内产生足够强的电场，使得光生电子-空穴对在高场作用下产生碰撞电离，即雪崩倍增效应，从而获得高内部光电增益和响应速度。对于AlGaN基雪崩光电二极管来讲，通常需要上百伏的工作电压来产生雪崩击穿，而由于AlGaN外延层中存在较高的位错密度以及器件工艺制备过程中产生的缺陷，会导致高反向偏压工作下的雪崩光电二极管具有较高的漏电流（暗电流）。此外，基于p-i-n结构的典型AlGaN紫外雪崩光电二极管，其雪崩增益是由电子和空穴共同主导的碰撞离化所产生的，存在较高的过剩噪声。另一方面，异质结光电晶体管（NPN型）则是利用入射光在基区与集电区间的耗尽层或在基区所产生的光生空穴在基区累积，降低发射区-基区结的导带势垒，使发射区中的大量电子渡越基区流向集电区，形成比光生电流大得多的集电极电流，从而产生诱导增益。AlGaN基异质结光电晶体管具有工作电压低（通常低于10 V），因而漏电流较小；由于HPT不是工作在雪崩击穿条件下，器件可靠性相对高于APD，对外延材料中缺陷（以位错为主）的要求也相对较低；相比于APD器件，对工作电压及温度不十分敏感等一系列优点。然而，HPT的光电增益属于诱导增益，需要在发射区-基区结的价带势垒处积累足够多的光生空穴才能降低导带势垒，从而使发射区电子渡越基区，因此其微弱光（单光子）探测能力低于APD，响应速度也稍慢。除此以外，当前AlGaN基HPT探测器通常采用Mg元素掺杂得到p型外延层，而Mg原子在外延生长过程中会因为高温扩散而运动到其它外延层（包括前向与后向扩散），尤其是在p型层之后生长的外延层，会受到前向扩散与Mg记忆效应的双重影响，即Mg原子会对其后生长的n型外延层产生杂质补偿，使HPT中的pn结界面位置发生偏移，不但影响各个功能层的杂质分布（影响结构设计），也会影响外延层的结晶质量，最终劣化探测器的性能。