一种高线性增益红外雪崩光电二极管制造技术

本实用新型专利技术属于半导体光电探测器领域，提供了一种高线性增益红外雪崩光电二极管及其制备方法，该二极管结构包括下电极接触层、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。周期性异质结构吸收层利用导带内子带能级跃迁实现对红外光子的吸收，周期性异质结构倍增层利用GaN/AlN异质结材料特有的能带特性促使光生电子发生单极碰撞离化。本实用新型专利技术提供的红外探测器能够保证器件在线性模式工作下获得高的雪崩增益，适用于各种需要进行微弱红外信号探测的应用场景。

A high linear gain infrared avalanche photodiode

The utility model, which belongs to the field of semiconductor photodetectors, provides a high linear gain infrared avalanche photodiode and its preparation method. The diode structure consists of the lower electrode contact layer, the periodic heterostructure multiplier layer, the charge layer, the periodic heterostructure absorption layer and the upper electrode contact layer. The absorption layer of the periodic heterostructure takes advantage of the energy level transition of the inner subband of the conduction band to realize the absorption of the infrared photons. The doubling layer of the periodic heterostructure makes use of the characteristic band characteristics of the GaN/AlN heterojunction material to induce the unipolar collisions of the photoelectrons to be ionized. The infrared detector provided by the utility model can ensure that the device obtains high avalanche gain in linear mode, and is suitable for various applications that require weak infrared signal detection.

【技术实现步骤摘要】
一种高线性增益红外雪崩光电二极管
本技术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。
技术介绍
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（AvalanchePhotodiode,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CN106409968A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。
技术实现思路
本技术提供了一种具有高线性增益的红外雪崩光电二极管，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。本技术的技术方案如下：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AlxGa1-xN，0≤x≤1。所述缓冲层的厚度为0.01µm至10µm，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1×1017cm-3至5×1019cm-3之间，厚度为0.05µm至10µm，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0.001µm至0.2µm，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1×1017cm-3至1×1019cm-3之间，厚度为0.01µm至0.15µm，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AlyGa1-yN/AlzGa1-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。AlyGa1-yN材料n型掺杂，掺杂浓度在5×1017cm-3至5×1019cm-3之间，厚度为0.001µm至0.02µm，AlyGa1-yN厚度为0.001µm至0.1µm；所述上电极接触层p型掺杂浓度在1×1017cm-3至1×1019cm-3之间，厚度为0.05µm至0.2µm，用于制作p型欧姆接触电极。制备本技术的方法，其步骤如下：（1）在衬底上生长缓冲层；（2）在缓冲层上生长下电极接触层，在其之上制作n型欧姆接触电极；（3）在下电极接触层上生长周期性异质结构倍增层；（4）在倍增层之上生长电荷层；（5）在电荷层之上生长周期性异质结构吸收层；（6）在吸收层之上生长上电极接触层，在其之上制作p型欧姆电极；（7）根据子带跃迁的选择性定则，将制作完成后的器件衬底一侧面制成斜面或者在上电极接触层上制作一维光栅或二维光栅以实现对红外光的耦合。基于以上的技术方案，本技术的有益之处是在吸收倍增分离式雪崩探测器件中将吸收区和倍增区均设置为周期性异质结材料，以实现在红外波段的高线性增益模式探测。本技术提出的一是考虑到GaN/AlN异质结作为雪崩区可以大幅度提高电子和空穴的离化系数比，即可认为只有电子才能发生碰撞离化，这种单方向的倍增过程使得器件能够在线性模式下高增益的工作，其饱和增益大小与异质结材料的参数和周期数有关；其次是考虑到AlyGa1-yN/AlzGa1-zN异质结材料的导带带阶从0-2eV连续可调，因而其子带跃迁的吸收波长可覆盖光通信所关注的近红外波段甚至到中、远红外波段，而且子带跃迁的载流子寿命只有皮秒量级，理论上对入射信号具有极快的响应速度；另一方面从材料体系来看，吸收区和倍增区都属于AlGaN基材料，材料上的兼容性能够保证外延过程的顺利实施。因此通过合理设计吸收区导带量子能级位置和倍增区能带结构，同时利用子带能级跃迁和光生电子的高效单极碰撞离化则可实现特定红外波段的高线性增益模式探测。为进一步说明本技术的特征和作用，下面结合附图及具体实施例对本技术做进一步的说明。附图说明图1为本技术雪崩光电二极管在反向工作电压下的能带结构示意图及载流子输运示意图。图2为实施例中雪崩光电二极管的截面结构示意图I。图3为实施例中雪崩光电二极管的截面结构示意图II。图4为实施例雪崩光电二极管的周期性异质结构吸收层的导带能带结构和电子波函数分布。图5为实施例雪崩光电二极管的周期性异质结构倍增层在1MV/cm电场作用下的能带结构示意图。其中，101－n型下电极接触层，103－周期性异质结构倍增层，105－电荷层，107－周期性异质结构吸收层，109－p型上电极接触层，201－衬底，203－缓冲层，205－n型欧姆接触电极，207－p型欧姆接触电极，301－光栅结构，401－吸收区导带分布，403－吸收层电子基态能级波函数，405－吸收层电子激发态能级波函数，501－倍增区导带分布，503－倍增区价带分布。具体实施方式为了更清晰地展示本技术器件的工作原理，图1给出了器件在反向工作电压下的能带结构及载流子动力学过程。器件工作状态下需要在n型下电极接触层和p型上电极接触层之间施加较大的反向偏压，这时电势差主要加载到非掺杂的周期性异质结构倍增层上，该层的电场强度远大于其他各层的电场强度，表现为能带的大角度倾斜。同时可以看出由于电荷层对电场的调控作用，周期性异质结构吸收层的能带基本处于平带状态，以保证基态能级上的电子不会被耗尽，有足够的电子填充。当有红外光入射时，周期性异质结构吸收层基态能级上的电子跃迁到激发态能级成为光生电子，光生电子通过共振隧穿或在连续态中直接迁移到电荷层，然后再输运到周期性异质结构倍增层中发生碰撞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于，所述二极管的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AlxGa1‑xN，0≤x≤1。

【技术特征摘要】
1.一种高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于，所述二极管的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AlxGa1-xN，0≤x≤1。2.根据权利要求1所述的高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于：所述衬底为Al2O3、GaN、AlN、Si中的任意一种。3.根据权利要求1所述的高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于：所述缓冲层的厚度为0.01µm至10µm。4.根据权利要求1所述的高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于：所述下电极接触层的n型掺杂浓度在1×1017cm-3至5×1019cm-3之间，厚度为0.05µm至10µm。5.根据权利要求1所述的高线性增益红外雪崩光电二极管，其特征在于：所述周期性异质结构倍增层由GaN和AlN两种材料交替生长而成，形成周期数为1至200的异质结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：康健彬，李沫，李倩，王旺平，陈飞良，张健，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51