AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在電磁波譜中，波長在200nm?400nm范圍內(nèi)的輻射稱為紫外輻射，太陽光是最強的紫外輻射光源，可是，由于大氣中臭氧層和其它大氣氣體的吸收和散射作用，波長小于280nm的紫外輻射幾乎不能到達地面，因此波長在200nm到280η波段的紫外光線被稱為日盲區(qū)。日盲區(qū)紫外信號具有背景干擾小、目標信號容易檢測、不容易產(chǎn)生虛假警報等優(yōu)點，在科學和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
[0003]m族氮化物是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有良好的導(dǎo)熱性能，高電子飽和速度，物理化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是近年來國內(nèi)外重點研究的新型半導(dǎo)體材料，在高電子迀移率晶體管、高亮度發(fā)光二極管、高功率激光器及高靈敏度日盲或可見光盲光電探測器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。Al組分超過40%的AlGaN探測器為固體探測器，體積小、功耗低、且具有天然的日盲紫外探測性能，能夠克服光電倍增管和硅基探測器的不利因素。但是，要想取代PMT管成為市場的主導(dǎo)，AlGaN基日盲紫外探測器必須具有更高的內(nèi)部增益因子，更低的暗電流和更高的響應(yīng)速度。目前，光電導(dǎo)增益機制和雪崩倍增機制被用來提高探測器的倍增因子，利用光電導(dǎo)增益機制的探測器暗電流大，光電響應(yīng)速度慢，噪聲大，而利用雪崩倍增機制的日盲AlGaN基的雪崩光電二極管(APD)，由于其高的內(nèi)部增益和光譜響應(yīng)速度，成為替代傳統(tǒng)光電倍增管(PMT)的最佳候選者。2013年，我們利用低Al組分的i型AlzGal-zN倍增層作為空穴的主要離化區(qū)，高Al組分的i型AlyGal-yN倍增層作為空穴初始加速區(qū)，設(shè)計了一種倍增層為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的增強型AlGaN日盲雪崩光電二極管及其制備方法[參見專利，高增益的AlGaN紫外雪崩光電探測器及其制備方法，申請?zhí)?CN201310367175.1]，該探測器在截止波長附近有較高的響應(yīng)度，但其截止吸收邊不夠陡峭。
[0004]光子晶體作為具備廣闊應(yīng)用前景的新型光電功能材料，受到越來越廣泛的關(guān)注，完全光子禁帶是光子晶體的主要特性之一，對于具有完全光子禁帶的光子晶體而言，處于完全禁帶頻率范圍的光波都不能在光子晶體中進行傳播，即處于光子晶體禁帶范圍的光子頻率以內(nèi)都無法在光子晶體中存在。許多新型光學器件采用了光子晶體的這一特性，光子晶體濾波器就是其中的研究熱點之一，但光子晶體濾波具有通過率低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明利用一維光子晶體層中帶周期的抗反射涂層，通過降低日盲探測器日盲區(qū)的光反射，設(shè)計了一種具有高通過率的SAM結(jié)構(gòu)AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種AlGaN日盲紫外雪崩光電探測器，一維光子晶體層、AlN/藍寶石模板層、i型AlxGapxN層、η型AlxGapxN層、i型AlylGa1-ylN層、η型AlyGai—yN組分漸變層、i型Aly2Gai—y2N層、p型GaN層，在η型AlxGai—xN層上引出η型歐姆電極，在P型GaN層上引出P型歐姆電極，所述X滿足0.5 < χ < I，所述yI滿足0.4 ^ yl<l，所述y2滿足0.1<72<0.5，所述71與72滿足72<71<1，所述組分7沿自下而上方向逐漸降低，且滿足 y2 SySyl0
[0007]進一步的，所述一維光子晶體層擁有19個周期性結(jié)構(gòu)，每一個周期性結(jié)構(gòu)包括S12層、Si3N4層、S12層，19個周期性結(jié)構(gòu)包括周期層和抗反射涂層，自下而上一維光子晶體層表示為η個抗反射涂層a*[L/2 H L/2]、m個周期層[L/2 H L/2]、I個抗反射涂層b*[L/2H L/2]，a=1.04，b=l.35，η 和m 代表周期數(shù)，I < 11，111<18，且滿足11+111=18丄代表3;[02層材料厚度λ/4/l.46，H代表Si3N4層材料厚度λ/4/2.01，其中λ滿足[1240/(3.4+2.8yl )+30]nm<λ<[ 1240/(3.4+2.8yl)+40]nmo
[0008]進一步的，所述AlN/藍寶石模板層為藍寶石襯底上生長的AlN層，AlN層厚度為20?50nm，藍寶石襯底厚度為600?lOOOnm。
[0009]進一步的，所述i型AlxGapxN層厚度為150?250nm。
[0010]進一步的，所述η型AlxGa1-XN層厚度為200?400nm。
[0011 ] 進一步的，所述i型AlylGa1-丫…層厚度為100?200nm。
[0012]進一步的，所述i型Aly2Gapy2N層厚度為100?200nm。
[0013]進一步的，所述P型GaN層厚度為100?200nm。
[0014]進一步的，所述η型歐姆電極為Ti/Al/Ni/Au合金電極，P型歐姆電極為Ni/Au合金電極。
[0015]本發(fā)明還提供了上述AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器的制備方法，其步驟包括:
[0016](I)將AlN/藍寶石模板層在NH3氣氛下表面氮化；
[0017](2)在AlN/藍寶石模板層的藍寶石表面生長一維光子晶體層，依次是I周期的抗反射涂層[b*(L/2 H L/2)]、m周期的周期層[(L/2 H L/2)]、n周期的抗反射涂層[a*(L/2 HL/2)];
[0018](3)在AlN/藍寶石模板層的AlN表面生長一層i型AlxGapxN層；
[0019](4)在AlxGapxN 層上生長一層 η 型 AlxGapxN 層；
[0020](5)在η 型 AlxGapxN 層上生長一層 i型 AlylGapylN 層；
[0021 ] (6)在i型AlylGai—ylN層上生長一層η型AlyGai—yN組分漸變層；
[0022 ] (7)在η型AlyGapyN組分漸變層上生長一層i型Aly2Gapy2N層；
[0023 ] (8)在i型Aly2Gapy2N層上生長一層P型GaN層；
[0024](9)在P型GaN層上進行臺面刻蝕，露出η型AlxGanN層，對刻蝕后的樣品表面進行凈化處理；
[0025](10)在η型AlxGanN層臺面上蒸鍍η型歐姆電極，蒸鍍后退火；
[0026](11)在P型GaN層上蒸鍍P型歐姆電極，蒸鍍后退火。
[0027]有益效果:本發(fā)明設(shè)計的SAM結(jié)構(gòu)背入射AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器，通過在AlN/藍寶石模板層上設(shè)計一維光子晶體層，一維光子晶體層與其下的空氣層以及其上的藍寶石襯底層組成了抗反射器件，降低了 280?350nm區(qū)間紫外光的透過率，從而進一步降低了探測器在280nm以上紫外光的響應(yīng)度;在此基礎(chǔ)上，改變一維光子晶體層中兩端周期層的厚度，使其成為抗反射涂層，可以進一步提高低波段的紫外光透射率，這是本發(fā)明的特別創(chuàng)新之處，在實施例1中，帶有3周期抗反射涂層在275nm附近的紫外光反射率低于5%(與之對應(yīng)的不帶抗反射涂層的反射率在60%左右)，260?280nm區(qū)間紫外光透射率在99.9%以上，進一步提高了探測器在280nm以下紫外光的響應(yīng)靈敏度。離化區(qū)(i型Aly2Ga1-y2N層)的Al組分小于加速區(qū)(i型AlylGan1N層)的Al組分，使得異質(zhì)界面處導(dǎo)帶形成足夠高的勢皇，阻礙了電子從空穴離化區(qū)向空穴加速區(qū)的運動，降低了電子的碰撞離化，從而可以有效降低器件噪聲。同時，低Al組分的空穴離化區(qū)，有利于得到更高晶體質(zhì)量的AlGaN材料；在此基礎(chǔ)上，η型AlyGal-yN層組分漸變有利于得到更高晶體質(zhì)量的離化區(qū)和加速區(qū)材料，也有利于獲得更高的雪崩增益。上述因素均有助于提高AH)的器件性能，在同樣的實驗條件下，與通常的AH)相比，在260?280nm區(qū)間探測器的最終光電響應(yīng)度峰值增加120%左右，雪崩增益從4.3X 14提高至1.35X 15;與帶有常規(guī)的一維光子晶體層即19個周期層[(L/2 HL/2)]的AI3D相比，在260?280nm區(qū)間探測器的光電響應(yīng)度峰值增加110%左右。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器的光電響應(yīng)曲線圖。
[0030]圖3為一維光子晶體層紫外光反射譜圖。
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明。
【具體實施方式】
[0032]實施例1
[0033]帶一維光子晶體層、帶抗反射涂層的AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器的制備方法，其步驟包括:
[0034](I)將AlN/藍寶石模板層在NH3氣氛下表面氮化；
[0035](2)在AlN/藍寶石模板層的藍寶石表面生長一維光子晶體層，依次是I周期的抗反射涂層[b*(L/2 H L/2)]、m周期的周期層[(L/2 H L/2)]、n周期的抗反射涂層[a*(L/2 HL/2)];
[0036](3)在AlN/藍寶石模板層的AlN表面生長一層i型AlxGapxN層；
[0037](4)在AlxGapxN 層上生長一層 η 型 AlxGapxN 層；
[0038](5)在η 型 AlxGapxN 層上生長一層 i 型 AlylGa1I1P^l;
[0039](6)在i型AlylGai—ylN層上生長一層η型AlyGaiyN組分漸變層；
[0040](7)在η型AlyGa1-yN組分漸變層上生長一層i型Aly2Gapy2N層；
[0041](8)在i型Aly2Gapy2N層上生長一層P型GaN層；
[0042](9)在P型GaN層上進行臺面刻蝕，露出η型AlxGanN層，對刻蝕后的樣品表面進行凈化處理；
[0043](10)在η型AlxGanN層臺面上蒸鍍η型歐姆電極，蒸鍍后退火；
[0044](11)在P型GaN層上蒸鍍P型歐姆電極，蒸鍍后退火。
[0045]按上述方法得到AlGaN日盲紫外增強型雪崩光電探測器，其結(jié)構(gòu)從下至上依次為:一維光子晶體層1、AlN/藍寶石模板層2、i型AlxGapxN層3、η型AlxGapxN層4、i型AlylGai—ylN層5、n型AlyGa1-yN組分漸變層6、i型Aly2Ga1-y2N層7、p型GaN層8，在η型AlxGa1-XN層上引出η型歐姆電極9，在P型GaN層上引出P型歐姆電極10，所述χ = 0.5，所述yI =0.4，所述y2 = 0.15。
[0046]其中，
[0047]所述一維光子晶體層擁有19個周期性結(jié)構(gòu)，每一個周期性結(jié)構(gòu)包括S12層、Si3N4層、S12層，19個周期性結(jié)構(gòu)包括周期層和抗反射涂