一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器

技术领域

本发明属于日盲紫外探测器技术领域，具体涉及一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器。

背景技术

紫外探测器(ultraviolet photodetector,UV-PD)可以是可见光盲甚至是日盲的，即其响应波长分别低于380nm或280nm，在工业、军事、安防等领域都有应用场合。半导体紫外光探测中，以硅材料为基础的紫外探测器已经在实际领域得到应用，但是由于Si的禁带宽度为1.12eV，在可见光区可直接探测，要想硅基紫外探测器在紫外波段工作，必须在使用时在外部插入滤波器，过滤掉可见光及红外光，增加了使用成本。而GaN材料禁带宽度可从3.4eV连续调节至6.2eV，对应的波长范围从380nm到200nm，覆盖了可见光盲及日盲波段，已经成为光电探测器领域最热门的材料之一。

虽然目前研制的以III族氮化物为基底材料的紫外探测器表现出了许多显著的优势，且已取得了一些研究成果，但是整个III族氮化物紫外探测器的发展还处在初级阶段，仍有许多问题尤待解决，其中最主要的问题是还没有找到高质量的衬底。目前，工业上比较常用的衬底是蓝宝石衬底或者4H-SiC以及氮化物的氧化物，通过将蓝宝石衬底图形化能够有效减小材料中位错密度。除衬底技术外，还有一种提高GaN外延质量的方法是，在衬底与GaN材料之间加入一层缓冲层，缓冲层与GaN的晶格适配系数相对较高，能在一定程度上减小位错密度。虽然GaN作为宽带隙半导体，被发现拥有良好的紫外光响应性能，但大多数器件受限于GaN材料本身的暗电流过大，导致器件光开关比较低，进而影响探测器其它性能指标。

目前，紫外光电探测器有p-i-n型，p-i-n-i-n型，MSM型(金属-半导体-金属)，以及SAM结构，和异质结型光电探测器等等，目前单极势垒结构光电探测器只在可见光和红外波段有研究，有n-B(Barrier)-n型和p-B(Barrier)-p型，日盲紫外波段的单极势垒结构APD很少有，仍然在初步探索阶段。

基于此，亟需设计一种nBn结构日盲紫外光电探测器，利用nBn型异质结器件完全放弃p型掺杂，可以有效避开p型材料在制备及掺杂控制上的困难，可以显著降低材料生长及器件制备的工艺难度；以n型材料作为光敏元区，其少子寿命可以被控制在一个相对较低的水平下，相比于传统的p-on-n器件而言在暗电流上也具有非常显著的优势，nBn器件的出现使得紫外光电探测器的光伏效应不再局限于pn结。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器，以解决背景技术中提出的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器，包括依次层叠生长的衬底层、缓冲层、接触层、势垒层、和吸收层，接触层和吸收层上均设有欧姆接触电极；

所述衬底层采用蓝宝石或氧化铝或碳化硅，所述缓冲层采用AlN或Al

其中，接触层、势垒层以及吸收层形成AlGaN/AlN/GaN单极势垒异质结，通过调控所述势垒层的厚度以及AlGaN的组分，以减少光电探测器暗电流，提高倍增增益。

作为本发明的进一步优化方案，采用蓝宝石或氧化铝或碳化硅的所述衬底厚度为300-500nm。

作为本发明的进一步优化方案，采用AlN或Al

作为本发明的进一步优化方案，采用GaN或AlGaN的所述接触层厚度为200-300nm,为N型掺杂，掺杂浓度为1×10

作为本发明的进一步优化方案，AlN势垒层厚度为5-10nm，不进行掺杂。

作为本发明的进一步优化方案，采用AlGaN或GaN的所述吸收层厚度为200-300nm，为N型掺杂，掺杂浓度为1×10

作为本发明的进一步优化方案，所述欧姆接触电极厚度为25-30nm，材料为Ni/Au/Ti/Al。

作为本发明的进一步优化方案，所述AlGaN的组分为：Al

作为本发明的进一步优化方案，采用分子束外延法依次生长吸收层、势垒层以及欧姆接触电极。

一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器的制备方法，用于制备以上任一项所述日盲紫外探测器，方法包括：

S1、在AlN或Al

S2、在AlGaN或GaN的所述吸收层上生长一层AlN的所述势垒层；

S3、在AlN的所述势垒层上生长一层GaN或AlGaN的所述接触层；

S4、对GaN或AlGaN的所述接触层进行刻蚀，刻蚀一半后露出AlGaN或GaN的所述吸收层，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；

S5、在GaN或AlGaN的所述接触层和AlGaN或GaN的所述吸收层上分别蒸镀欧姆接触电极，蒸镀后对其进行退火工艺，以修复晶格损伤。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的nBn结构单极势垒结构器件工作在几乎平带的状态，耗尽区窄，因此相比传统的p-i-n结构,nBn器件基本消除了I

2.本发明通过设计光电探测器的器件结构，针对性的对暗电流机制进行分析，可以更好的抑制暗电流，提高雪崩光电探测器的倍增增益，以减小日盲雪崩紫外光电探测器中暗电流。

3.本发明通过选取带偏足够小的价带，使光生载流子能够顺利的通过，便于光电流的收集，选取的势垒层材料的晶格与AlGaN/GaN的晶格上失配度足够小，同时势垒层带隙较宽，较宽的势垒可以抑制产生复合电流并阻挡多数载流子。

附图说明

图1是本发明中光电探测器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中制备的nBn型异质结结构图；

图3是本发明具体实施方式中制备的nBn型结构能带图；

图4是本发明具体实施方式中提出制备的n-n型异质结结构图；

图5是本发明具体实施方式中制备的n-n型结构能带图。

图1中，1、衬底层；2、缓冲层；3、接触层；4、势垒层；5、吸收层；6、欧姆接触电极。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1-3所示，本实施方式提出一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器，包括依次层叠生长的衬底层1、缓冲层2、接触层3、势垒层4、和吸收层5，接触层3和吸收层5上均设有欧姆接触电极6；

衬底层1采用蓝宝石或氧化铝或碳化硅，缓冲层2采用AlN或Al

其中，接触层3、势垒层4以及吸收层5形成AlGaN/AlN/GaN单极势垒异质结，通过调控势垒层4的厚度以及AlGaN的组分，以减少光电探测器暗电流，提高倍增增益。

可选的，采用蓝宝石或氧化铝或碳化硅的衬底1厚度为300-500nm。

可选的，采用AlN或Al

可选的，采用GaN或AlGaN的接触层3厚度为200-300nm,为N型掺杂，掺杂浓度为1×10

可选的，AlN势垒层4厚度为5-10nm，不进行掺杂。

可选的，采用AlGaN或GaN的吸收层5厚度为200-300nm，为N型掺杂，掺杂浓度为1×10

可选的，欧姆接触电极6厚度为25-30nm，材料为Ni/Au/Ti/Al。

可选的，AlGaN的组分为：Al

可选的，采用分子束外延法依次生长吸收层5、势垒层4以及欧姆接触电极6。

本实施例中，通过采用蓝宝石衬底、氧化铝衬底或者4H-SiC衬底，用来减少GaN材料中的位错密度，在上面生长一层AlN缓冲层，用来解决GaN材料与衬底的晶格失配问题，我们所制备的异质结为AlGaN/AlN/GaN，或GaN/AlN/AlGaN，或AlGaN/AlN/AlGaN。

其中，AlN即为我们所考虑的阻挡势垒层4，GaN在室温下的禁带宽度为3.4eV，AlN在室温下的禁带宽度为6.2eV，AlGaN的禁带宽度随Al组分的变化公式为

ΔE

导带偏移显然比价带偏移小得多，为了更好的体现出AlN插入层对器件性能的影响，我们还制备了没有本征掺杂的AlN插入层的n-n同种型异质结，器件结构与能带图如图4和图5所示，高的暗电流会严重损害光电探测器的性能。单极势垒结构可以通过阻挡大部分载流子来抑制光电探测器内部的暗电流，图4和图5可以看出n-n同种型异质结没有较大的导带势垒，一大部分载流子可以顺利到达阳极，使暗电流增大，在我们的情况下，nBn单极势垒阻挡了大多数电子，并允许空穴不受阻碍地流动。使暗电流比n-n同种型异质结光电探测器小得多，还减小了击穿电压，而且单极势垒结构增强了击穿电场，提高了雪崩增益，增强了光电探测器的性能。

本实施例中提出的AlGaN/AlN/GaN单极势垒异质结工作器件，通过合理调控AlN势垒层的厚度以及AlGaN的组分，实现能带结构中大的导带偏移ΔEc以及较小的价带偏移ΔEv，与n-n同种型异质结光电探测器相比，可以更好的抑制暗电流，提高雪崩增益。

为了实现上述实施例，本实施方式还提出了一种AlGaN单极势垒nBn结构日盲紫外光电探测器的制备方法，用于制备上述日盲紫外探测器，方法包括：

S1、在AlN或Al

S2、在AlGaN或GaN的所述吸收层5上生长一层AlN的所述势垒层4；

S3、在AlN的所述势垒层4上生长一层GaN或AlGaN的所述接触层3；

S4、对GaN或AlGaN的所述接触层3进行刻蚀，刻蚀一半后露出AlGaN或GaN的所述吸收层5，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；

S5、在GaN或AlGaN的所述接触层3和AlGaN或GaN的所述吸收层5上分别蒸镀欧姆接触电极，蒸镀后对其进行退火工艺，以修复晶格损伤。

现有技术中p-n结二极管紫外探测器暗电流主要由3种机制决定,即I

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。