[发明专利]硅基深紫外雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基深紫外雪崩光电二极管及其制备方法，所述的制备方法包括：S1、提供Si衬底；S2、在所述Si衬底上依次叠层生长AlN缓冲层、第一Al_1‑mGa_mN纳米柱、第二Al_1‑xGa_xN纳米柱、以及第三Al_1‑zGa_zN纳米柱，其中，0≤m≤1，0≤x＜0.8，0≤z＜0.8；根据实际需要，还可以在所述S2步骤之后依次叠层生长第四Al_1‑aGa_aN纳米柱和第五AlN纳米柱，其中，0≤a＜0.8。本发明提供的雪崩二极管的制备方法，一方面利用AlN纳米柱显著减弱浅紫外光的干扰，提高晶体质量，从而能够提高探测器的准确性与灵敏度；另一方面硅衬底能够简化器件的制作工艺流程，易于后期的集成加工，十分有利于降低成本。

技术领域

本发明属于光电二极管领域，具体来讲，涉及一种硅基深紫外雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

深紫外线(UVC，200-280nm)的直接照射对人体的伤害非常大，短时间照射会灼伤皮肤，持续或高强度照射会导致皮肤癌。它的穿透能力很弱，其在通过地球大气层期间会被臭氧层几乎完全地吸收掉，到达地球表面处的强度可以忽略，这一波段也通常被称为″日盲″波段。深紫外波段由于没有太阳光的背景干扰，深紫外光电二极管可作为探测器应用于导弹检测、火灾检测、辐射检测和保密通讯等领域，应用市场十分巨大。

在实际应用中，深紫外光线的强度通常都是极其微弱的，同时国防与航天等高精尖领域的客观需求对紫外探测器的性能和灵敏度有更高的要求，因此制备高灵敏度高准确性的深紫外光电二极管是十分迫切的。

目前，光电倍增管与硅基紫外光电管是比较常用的两种紫外探测光电器，但是它们不仅需要附带昂贵且复杂的滤光系统，而且灵敏度不高。第三代宽禁带半导体作为制备紫外探测器理想材料，可以去掉滤光器而便于携带，也有利于探测器的集成，而且使制作高灵敏度、快速响应、低噪声的探测器成为可能。

常用于制备深紫外探测器的半导体材料有Al_1-xGa_xN(俗称铝镓氮)、金刚石、MgZnO、Ga₂O₃。金刚石且难以实现可控掺杂，且应用成本高，Ga₂O₃的禁带难以调控。MgZnO要在强光和低噪声背景下才能实现探测，且响应度不高，难以制备出高性能的MgZnO深紫外探测器。Al_1-xGa_xN材料具有耐高温、物理化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，并且带隙宽且连续可调，其波长可覆盖200nm～355nm的紫外波段，是目前制备深紫外光电二极管的理想材料。但是目前Al_1-xGa_xN深紫外探测器仍未占据主要市场，原因在于高Al组分Al_1-xGa_xN(包括AlN)的外延质量和掺杂水平难以达到应用的要求。同时，相比于其他衬底，制备大尺寸单晶Si衬底的成本最低，可以大大降低制备成本。然而Si与GaN的晶格失配与热失配系数较大，所以在Si衬底上获得高质量的高Al组分Al_1-xGa_xN材料成为更大的挑战，是目前亟待解决的难题。

基于半导体的光电二极管从器件结构上大致可分为金属-半导体-金属(MSM)结构、肖特基结构、光电导型结构、p-n/p-i-n型结构，以及雪崩光电二极管(Avalanchephotodiode，APD)等。APD因其量子效率高、功耗低、感光灵敏度强、工作频谱范围大、体积小等优点成为了灵敏光电传感器的理想选择。另一方面，Al_1-xGa_xN纳米柱(一维)能够有效限制所俘获的载流子，明显增强量子限制效应，同时可缓解因晶格失配和热失配产生的应力问题，减小缺陷密度，提高晶体质量，从而有效地提高内量子效率。