一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法。

背景技术

紫外雪崩探测器是电晕检测、加密通讯、空间成像等系统的探测模块的核心元器件。当前使用的雪崩探测器主要是光电倍增管，体积大、耗能高、造价假高且脆弱易碎，而Si基的雪崩探测器需要前置昂贵易老化的滤波片才可进行紫外探测，因此迫切需要一种体积小、功耗低、稳定性好的新型固态紫外探测器作为替代。GaN基材料是直接宽禁带半导体材料，禁带宽度在0.9eV至6.2eV之间连续可调，且具有很好的热稳定性和化学稳定性，是制备新一代深紫外固态APD的理想材料。

当前，GaN基的紫外雪崩探测器通常采用体材料作为雪崩倍增层，并在高电压下通过高电场实现器件内部载流子的雪崩倍增。GaN基紫外雪崩探测器通常以垂直器件为主，台面的刻蚀会在倍增区侧壁引入损伤和缺陷，同时GaN基材料内部本身存在大量的位错，这些缺陷和损伤在高电场下会发生严重的漏电现象，造成器件破坏和器件暗电流的增大，损害器件性能与稳定性。目前GaN基材料的缺陷水平短期内难以有较大提升，调整器件外延结构设计缓解高场工作问题是当前GaN基雪崩探测器的研究重点之一。

发明内容

有鉴于此，有必要针对器件高场下工作稳定性的问题，提供一种可在相对低压下实现稳定雪崩增益的GaN基超晶格紫外雪崩探测器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器，从下至上依次包括衬底，GaN缓冲层，n-GaN层，超晶格结构层，i-GaN层，p-GaN层，以及位于台面上的p电极和位于刻蚀区n-GaN层上方的n电极；

所述超晶格结构层为GaN/InN超晶格，或GaN/InGaN超晶格。

优选地，所述衬底为蓝宝石或GaN衬底。

优选地，所述n-GaN层的厚度>300nm，掺杂浓度>5×10

优选地，所述超晶格结构层中重复周期数量≥10，单个周期的厚度≤10nm，其中GaN材料的厚度≤5nm，InN或InGaN材料的厚度≤5nm。

优选地，所述i-GaN层为吸收层，为非故意掺杂，厚度为100-300nm。

优选地，所述p-GaN层的厚度为100-200nm，掺杂浓度>5×10

优选地，所述n电极为欧姆接触电极，依次沉积Ti、Al、Ni和Au制得，其中Au的沉积厚度≥100nm。

优选地，p电极为欧姆接触电极，为Ni、Pt、Au和ITO中的任意一种或两种及以上的合金薄膜，总厚度≥250nm。

本发明还提供一种如上所述的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，包括以下步骤：

在所述衬底上生长所述GaN缓冲层；

在所述GaN缓冲层上生长所述n-GaN层；

在所述n-GaN层上生长所述超晶格结构层；

在所述超晶格结构层上生长所述i-GaN层；

在所述i-GaN层上生长所述p-GaN层；

刻蚀器件台面，刻蚀至暴露出所述n-GaN层；

在台面上制备所述p电极，在台面下位于刻蚀区n-GaN层上方制备所述n电极。

优选地，外延生长的方法均为MOCVD或MBE；刻蚀器件台面采用ICP技术刻蚀，台面为圆台或方台；所述p电极和n电极采用光刻、电子束蒸发、溅射和快速热退火工艺制备。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的GaN基超晶格紫外雪崩探测器，包括超晶格结构GaN/InN或GaN/InGaN超晶格，载流子于超晶格内发生雪崩倍增，通过超晶格结构的带阶实现载流子的能量提升及碰撞离化，有效减弱传统雪崩探测器工作依赖外偏压实现碰撞离化带来的高场击穿的问题，外偏压仅满足载流子可跨越带阶的需求即可，可避免由于高偏压下器件内部高场强导致的器件击穿和缺陷漏电等问题，从而保证器件在雪崩倍增情形下稳定工作；同时可以通过更改超晶格的周期数来控制其雪崩倍增的次数，器件增益的稳定可控。

本发明提供的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，工艺简单，可批量制备，适合工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的结构示意图；

图2为本发明的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种GaN基超晶格紫外雪崩探测器，从下至上依次包括衬底，GaN缓冲层，n-GaN层，超晶格结构层，i-GaN层，p-GaN层，以及位于台面上的p电极和位于刻蚀区n-GaN层上方的n电极；

所述超晶格结构层为GaN/InN超晶格，或GaN/InGaN超晶格。

其中，所述衬底为蓝宝石或GaN衬底，优选为蓝宝石衬底。所述GaN缓冲层的厚度至少为1μm。所述n-GaN层的厚度为400nm，掺杂浓度>5×10

所述超晶格结构层中重复周期数量≥10，单个周期的厚度为6nm，其中GaN材料的厚度为3nm，InN或InGaN材料的厚度3nm，非故意掺杂。

所述i-GaN层为吸收层，为非故意掺杂，厚度为100-300nm。所述p-GaN层的厚度为100-200nm，掺杂浓度>5×10

所述n电极为欧姆接触电极，依次沉积Ti、Al、Ni和Au制得，沉积总厚度为300nm，其中Au的沉积厚度不低于100nm。p电极为欧姆接触电极，为Ni、Pt、Au和ITO中的任意一种或两种及以上的合金薄膜，厚度为250nm。

如图2所示，本发明还提供一种如上所述的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，包括以下步骤：

在所述衬底上生长所述GaN缓冲层；

在所述GaN缓冲层上生长所述n-GaN层；

在所述n-GaN层上生长所述超晶格结构层；

在所述超晶格结构层上生长所述i-GaN层；

在所述i-GaN层上生长所述p-GaN层；

刻蚀器件台面，刻蚀至暴露出所述n-GaN层；

在台面上制备所述p电极，在台面下位于刻蚀区n-GaN层上方制备所述n电极。

其中，外延生长的方法均为MOCVD或MBE等外延方法，其中，在所述衬底上生长所述GaN缓冲层，优选的生长温度为1000℃。刻蚀器件台面采用ICP技术刻蚀，台面为圆台或方台；所述p电极和n电极采用光刻、电子束蒸发、溅射和快速热退火工艺制备，在刻蚀后的器件台面上下蒸镀电极材料并快速热退火处理。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的GaN基超晶格紫外雪崩探测器，包括超晶格结构GaN/InN或GaN/InGaN超晶格，载流子于超晶格内发生雪崩倍增，通过超晶格结构的带阶实现载流子的能量提升及碰撞离化，有效减弱传统雪崩探测器工作依赖外偏压实现碰撞离化带来的高场击穿的问题，外偏压仅满足载流子可跨越带阶的需求即可，可避免由于高偏压下器件内部高场强导致的器件击穿和缺陷漏电等问题，从而保证器件在雪崩倍增情形下稳定工作；同时可以通过更改超晶格的周期数来控制其雪崩倍增的次数，器件增益的稳定可控。

本发明提供的GaN基超晶格紫外雪崩探测器的制备方法，工艺简单，可批量制备，适合工业化生产。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。