AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法技术

本发明专利技术涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法。该探测器自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度。该探测器结构在光照条件下的J

【技术实现步骤摘要】
AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法


[0001]本专利技术涉及半导体光电子
，具体涉及一种AlInGaN基单pn结多色探测器及信号检测方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着半导体关键工艺的日趋完善，紫外、可见以及红外光电探测器已逐渐在航空航天跟踪与控制、生物医药工程分析、可见光通信、遥感资源调查、医疗测温、隐蔽火源探测、消防和石化报警以及森林火灾预报中的都得到了广泛的应用。但传统的光电探测器仅能够对单色进行追踪，当系统需要多波段复合探测时，则需要针对不同的入射光波段范围采用不同波段的光电探测器，这就增加了光电探测仪器系统的复杂性。
[0003]因此，有研究学者设计出了多波段探测相关的器件结构，专利授权公告号为CN110459627B，名称为一种紫外
‑
可见双波段光电探测器，该专利技术通过两个pn结单元，可实现紫外以及可见光的探测。通过调节紫外吸收单元的Al组分，可改变紫外探测波长；通过调节可见光吸收单元的In组分，可实现蓝光，绿光，红光等可见光波段的探测。该方法可实现多色选择性探测或同步探测，采用多个pn结单元，则存在外延结构和芯片制备工艺复杂、制造成本较高等缺点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供AlInGaN基单pn结多色探测器，该探测器结构在光照条件下的J
‑
V特性曲线具有明显台阶或拐点，使单pn结构实现多色选择性探测或同步探测成为可能。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供基于上述AlInGaN基单pn结多色探测器进行信号检测的方法，通过对该探测器测得的J
‑
V特性曲线进行数学处理，从中提取入射光的各波段信息，能够有效实现紫外
‑
红外范围内的多色选择性探测或同步探测。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]本专利技术提供一种AlInGaN基单pn结多色探测器，自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；
[0008]其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；
[0009]所述吸收层的材料为Al
x1
In
y1
Ga
(1
‑
x1
‑
y1)
N，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；
[0010]所述隔离层的材料为Al
x2
In
y2
Ga
(1
‑
x2
‑
y2)
N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；
[0011]各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度。
[0012]本探测器的工作原理是：对于光电器件而言，当一束光入射到器件表面时，其吸收层内产生的光生载流子动力学过程主要包括：光生、逃逸、俘获和再复合。只有当电场足够大，吸收层内的光生载流子才能克服量子势垒，逃逸出吸收层并被电极收集，进而产生相应的光电信号；所以，只有在耗尽区中的吸收层，其内产生的光生载流子才会有较大的概率被
电极收集。然而，生长在c平面上的III族氮化物异质结，具有显著极化效应。在一定条件下，由此产生的强极化电场，容易导致器件的吸收层不完全处于耗尽层中。此外，n型层或p型层掺杂不足、量子垒掺杂浓度过高等也会导致吸收层的不完全耗尽。
[0013]因此，通过合理参数设计，可以实现所述探测器吸收层的不完全耗尽，在该条件下，对所述探测器施加连续扫描的反向偏压，使pn结耗尽区逐渐变宽，吸收层依次进入耗尽区中，电极将依次收集进入耗尽区中的吸收层内产生的光生载流子，进而产生光电流。但由于隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度，所以隔离层中产生的光生载流子对光电流的贡献较小，在隔离层进入耗尽区的过程中，反向偏压逐渐增大，而光电流变化甚微，因此，在待探测的光照下，所述探测器呈现出具有明显的台阶或拐点的J
‑
V特性，曲线中台阶或拐点可以通过隔离层的掺杂、厚度以及组分进行控制。结合所述探测器的每个吸收层对所响应波段的吸收效率和每个吸收层进入耗尽层内对应临界偏压下的光电流，对该J
‑
V曲线进行数学处理，可以从中提取入射光的各波段信息，能够有效实现紫外
‑
红外范围内的多色选择性探测或同步探测。
[0014]在AlInGaN基单pn结多色探测器中，设置多个带隙宽度不同吸收层的作用是为了实现对不同波段的光进行吸收；吸收层的材料包括但不限于InGaN，通过控制其中各元素含量即可调节吸收层材料带隙宽度。
[0015]根据进一步优选的技术方案，该多色探测器的吸收层数量没有上限限制，该多色探测器中吸收层的数量为n个，n≥2；吸收层的结构具有多样性，根据实际需求，一层吸收层可以为n个周期的多量子阱结构、超晶格结构，或直接一层体材料皆可；根据实际探测需求进行选择，吸收层的厚度不必相等。
[0016]多色探测器中，隔离层的数量至少为1个；优选地，所述隔离层的数量与所述吸收层数量相同。根据具体实施例，所述隔离层和所述吸收层在层叠结构中的排布方式为：在所述层叠结构中，由下至上依次层叠设置第一吸收层、第一隔离层......第n吸收层和第n隔离层。
[0017]根据进一步优选的技术方案，所述隔离层厚度为：0＜d≤700nm，掺Si浓度为1
×
10
16
～1
×
10
19
/cm3；优选地，隔离层厚度为0＜d≤200nm。根据实际的需要，合理设计掺杂和厚度，调控J
‑
V曲线的台阶和拐点的位置和宽度；根据实施例的优选技术方案，所述隔离层的厚度为10nm～20nm。
[0018]根据进一步优选的技术方案，所述n型层掺Si浓度为1
×
10
17
～1
×
10
20
/cm3，所述p型层掺Mg浓度为5
×
10
17
～1
×
10
20
/cm3。其目的在于：调控pn结之间的内建电场强度和耗尽层宽度。
[0019]根据进一步优选的技术方案，所述探测器在光照条件下的J
‑
V特性曲线具有明显台阶或拐点。
[0020]根据进一步优选的技术方案，层叠结构中，多个所述吸收层的禁带宽度沿着探测光入射方向逐渐变大或变小。多段禁带宽度不同的吸收层，沿着探测光的入射方向，吸收层的带隙单调变化，其目的在于：方便剥离入射光各波段信息，但吸收层的带隙不限于单调变化。
[0021]根据进一步优选的技术方案，每个所述吸收层中V坑的总面积不高于器件面积的5％。
[0022]但值得注意的是，AlInGaN基光电器件在制备的过程中，容易产生V坑，而由V坑侧壁形成的三维pn结在平台中的强横向电场，导致光生载流子发生横向分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，自下向上依次包括：n型层、层叠结构和p型层；其中，所述层叠结构包括交替层叠的吸收层和隔离层，吸收层的数量为多个；所述吸收层的材料为Al
x1
In
y1
Ga
(1
‑
x1
‑
y1)
N，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1≤1；所述隔离层的材料为Al
x2
In
y2
Ga
(1
‑
x2
‑
y2)
N，其中0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2≤1；各吸收层彼此之间禁带宽度不同，所述隔离层的禁带宽度大于所有吸收层的禁带宽度。2.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述探测器在光照条件下的J
‑
V特性曲线具有明显台阶或拐点。3.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，吸收层采用单/多层结构、多量子阱结构或超晶格结构。4.根据权利要求1所述一种AlInGaN基单pn结多色探测器，其特征在于，所述隔离层厚度为：0＜d≤700nm，掺Si浓度为1
×
10
16
～1
×
10
19
/cm3...

【专利技术属性】
技术研发人员：全知觉，吴佳楠，曹盛，高江东，王立，江风益，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：