[发明专利]一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法，包括衬底外延层和内嵌电极，所述外延层包括自衬底向上沿外延生长方向依次为氮化物缓冲层、n型掺杂的氮化物欧姆接触层、n型掺杂氮化物组分过渡层、非掺杂氮化物薄插入层、具有p型电导的氮化物层、非故意掺杂多层In_xGa_1‑xN与In_yGa_1‑yN交替生长的光吸收层和n型掺杂的氮化物欧姆接触层，所述n型掺杂的氮化物欧姆接触层上设有下凹槽，所述非故意掺杂多层In_xGa_1‑xN与In_yGa_1‑yN交替生长的光吸收层上设有上凹槽，所述内嵌电极包括上内嵌电极金属叠层和下内嵌电极金属叠层。本发明可获得厚度满足光吸收要求且晶体质量更好的InGaN光吸收层，且可获得高光响应度、高光电增益、以及低工作电压。本发明可广泛应用在半导体探测器技术领域。

技术领域

本发明涉及半导体探测器技术领域，尤其涉及一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法。

背景技术

以GaN基材料为代表的III族氮化物半导体(包括其二元化合物InN、GaN和AlN，三元化合物InGaN、AlGaN和AlInN以及四元化合物AlInGaN)具有禁带宽度大、直接带隙、光吸收系数大、电子迁移率高、击穿电场高、电子饱和漂移速度高、热导率高、介电常数较小、耐高温、抗辐射性强、化学稳定性高等一系列优点，因而非常适合于制作在高性能的光电探测器。其中三元化合物InGaN可以通过改变铟(In)的组分得到0.7～3.4eV之间的任意禁带宽度，对应的吸收波长为1771～365nm，因此在近中红外、可见光和紫外的光电探测领域有巨大的应用前景。

对于以InGaN为光吸收层的光电探测器而言，主要的器件结构形式为光电导型、肖特基势垒型、金属-绝缘体-半导体(MIS)和p-i-n结型，这一类型的器件虽然也具有较好的探测性能，但是不具备光电增益。而具有高光电增益的器件则可以探测微弱信号，提高探测器的探测率。目前，具有高光电增益的几种典型探测器件为光电导器件、雪崩光电二极管和光电晶体管。其中光电导探测器暗电流高、光响应速度慢，应用范围和前景都有较大的局限性；而雪崩光电二极管对半导体材料质量要求甚高。当前，InGaN外延材料面临的相分离、位错密度较高、背景载流子浓度等问题，难以满足制作雪崩光电探测器对外延材料的要求。因此，工作电压低、暗电流小的双极型NPN光电晶体管是高增益InGaN光敏探测器的一个优先选择。

但是，以InGaN为光吸收层的光电晶体管却面临着外延材料特性中的一些障碍。InGaN外延材料存在着相分离、位错密度大和背景载流子浓度高等目前的技术尚未克服的问题。其中，位错主要由异质外延中衬底、下层缓冲层和上层InGaN层之间的晶格和热失配导致，是器件漏电和可靠性降低的主要因素之一；相分离会导致局域态，影响光生载流子的迁移。这些问题随InGaN层变厚而愈加严重，由此限制了InGaN光吸收层的生长厚度，不仅会导致探测器的光谱响应截止边不陡峭，而且会降低光生电子-空穴迁移。而在NPN型光电晶体管中，其光电增益的产生机理是在集电极与基极(BC结)间的耗尽层内由光入射信号产生电子-空穴对，空穴向基区迁移，电子向加正电的集电极迁移。空穴在基区累积，引起基极和发射极(BE结)的势垒降低，从而有更多的电子从发射极注入到基区，并在渡越基区后进入集电极，被集电极一端的正电极所收集。如果光生空穴不能有效迁移至基区，将无法产生高光电增益。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种III族氮化物增益型光电探测器及其制备方法，用于解决以InGaN为光吸收层的双极型光电晶体管探测器中InGaN光吸收层随厚度增加而晶体质量劣化，空穴迁移能力差而导致光电增益低的问题。