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一种III族氮化物 半导体 雪崩光电探测器及其制备方法

阅读：69发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法，包括有源层，所述有源层按自下而上的生长顺序，依次包括重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层，非故意掺杂AlyGa1-yN以及p型层；所述的p型层自上而下包括较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层和较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层呈中央薄边缘厚的凹型结构，所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层呈与所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层相匹配的中央厚边缘薄的凸型结构。与现有技术相比，所述p型层能将高电场限制在台型器件中央，在台型结构的边缘，电场强度被降低，解决了因边缘电场过高而导致的提前击穿问题，同时具有降低表面复合电流、提高器件工作可靠性的效果。，下面是一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，包括有源层，其特征在于，所述有源层按自下而上的生长顺序，依次包括重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层(101)，非故意掺杂AlyGa1-yN层(102)以及p型层；所述的p型层自上而下包括较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)和较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层呈中央薄边缘厚的凹型结构，所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)呈与所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)相匹配的中央厚边缘薄的凸型结构。
2.根据权利要求1所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述p型层的总厚度为50～200nm。
3.根据权利要求2所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)和较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)的空穴浓度分别为p3与p4，p3、p4满足以下关系：p34.根据权利要求1至3任一项所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)和较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)满足以下关系：
(1)所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)的中央厚度为10～50nm，边缘厚度为50～
150nm，边缘宽度≥0.5μm；
(2)所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)的中央厚度为40～150nm，边缘厚度10～
120nm，边缘宽度≥0.5μm。
5.根据权利要求4所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(103)的Al组分z3＝0～0.65，空穴浓度p3＝1×1017～8×
1017cm-3；所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层(104)的Al组分z4＝0～0.65，空穴浓度p4＝5×1017～1×1019cm-3。
6.根据权利要求1～3任一项所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述非故意掺杂AlyGa1-yN层(102)的厚度为100～300nm，Al组分y＝0～0.65，电子浓度为1×1016～2×1017cm-3。
7.根据权利要求1～3任一项所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层(101)的厚度为0.3～1μm；Al组分范围x＝0～
0.8，层中电子浓度为5×1017～5×1018cm-3。
8.根据权利要求7所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层(101)和非故意掺杂AlyGa1-yN(102)中的Al组分满足x≥y。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，在外延生长低掺杂p型层后，通过光刻形成掩模，其后对计划制作台型结构区域的器件中央部分的低掺杂p型层进行低损伤干法刻蚀，刻蚀表面损伤恢复处理，然后在此基础上二次外延生长一层高掺杂p型层，从而形成器件中央高掺杂层厚、边缘低掺杂层厚的p型层结构。
10.根据权利要求9所述的一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，外延生长采用金属有机化学气相沉积外延外生长法(MOCVD)或分子束外延生长法(MBE)。

说明书全文

一种III族氮化物半导体 雪崩光电探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电探测器技术领域，更具体地，涉及一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 基于三元三族氮化物半导体AlGaN的紫外光电探测器因其可实现本征可见光盲(280～400nm)和日盲紫外(220～280nm)探测而受到人们的广泛关注，在高压电晕放电检测、火焰探测、环境监测和天文物理等领域有着广阔的应用前景。在大多数的紫外探测应用中，由于紫外信号通常都非常微弱，因此要求紫外光电探测器具有低暗电流、高量子效率和高内部增益。雪崩光电二极管具有高光电流增益、高响应速度和低噪声等优点，是实现高灵敏度紫外探测的最具前景的器件类型之一。

[0003] 雪崩光电探测器(APD)工作特点是利用倍增区的内部高电场触发雪崩效应。但是，对于通常采用的准垂直台型结构，器件的台型边缘的表面会因干法刻蚀导入的空位、杂质或本征缺陷等形成的表面态而使得边缘电场过高，因此采取措施抑制器件的边缘电场是非常重要的一个环节。近期来，比较有代表性的方案有(1)通过多次刻蚀形成多台阶边缘结构，(2)通过刻蚀形成边缘倾斜的台型结构，以及(3)在边台型边缘进行离子注入，形成保护环。其作用是将高电场局域在器件中央，降低边缘电场强度。但是，采用多台阶和斜台阶结构会减少有效光吸收面积，而采用离子注入形成保护环则需要昂贵的离子注入设备，并且离子注入的浓度与深度的工艺控制难度较大。因此，需要发展新型的边缘电场控制技术。

发明内容

[0004] 本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其边缘电场低，有效避免了器件边缘电场过高导致的提前击穿问题，同时，器件表面复合暗电流低，可靠性高。

[0005] 本发明的另一个目的在于提供了一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，通过二次外延生长调控p型掺杂分布而起到降低边缘电场效果。

[0006] 本发明采取的技术方案是：

[0007] 一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，包括有源层，所述有源层按自下而上的生长顺序，依次包括重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层，非故意掺杂AlyGa1-yN层以及p型层；所述的p型层自上而下包括较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层和较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层呈中央薄边缘厚的凹型结构，所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层呈与所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层相匹配的中央厚边缘薄的凸型结构。

[0008] 本发明中所述p型层包括厚度不一的较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层和低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层。其中，器件中央高掺杂p型AlyGa1-yN较厚的部分的定义了高电场区域，边缘低掺杂p型AlyGa1-yN较厚的部分相当于保护环，如此可降低台型器件的边缘电场。所述P型层的这种结构好处是能将高电场限制在台型器件中央，即限制在所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层中央薄边缘厚的凹型结构范围内；而在台型结构的边缘，电场强度则被降低，从而解决了因边缘电场过高而导致的提前击穿问题；同时，也降低了器件的表面复合暗电流，提高了器件的可靠性。

[0009] 本发明中所述的p型层，不仅可以用在PIN结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，还可用在基于PIN结构衍生的PININ等吸收、倍增层结构半导体雪崩光电探测器或P型层倒置NIP结构，具体的，P型层倒置NIP结构是指高低掺杂分布的为顶层的N型接触层。

[0010] 进一步的，所述p型层的总厚度为50～200nm。

[0011] 进一步的，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层与较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层的空穴浓度分别为p3与p4，p3、p4满足以下关系：p3

[0012] 进一步的，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层和较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层满足以下关系：

[0013] (1)所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层的中央厚度为10～50nm，边缘厚度为50～150nm，边缘宽度≥0.5μm；

[0014] (2)所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层的中央厚度为40～150nm，边缘厚度为10～120nm，边缘宽度≥0.5μm。

[0015] 本发明通过对p型层的掺杂浓度分布、厚度进行创新设计，起到了降低边缘电场，防止提前击穿，增加器件可靠性的有益作用。

[0016] 进一步的，所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层的Al组分z3＝0～0.65，空穴浓度p3＝1×1017～8×1017cm-3；所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层的Al组分z4＝0～0.65，空穴浓度p4＝5×1017～1×1019cm-3。

[0017] 进一步的，所述非故意掺杂AlyGa1-yN层的厚度为100～300nm，Al组分y＝0～0.65，电子浓度为1×1016～2×1017cm-3。所述非故意掺杂AlyGa1-yN层的作用是利用其内部的高电场强度，使进入此层的光生载流子发生碰撞电离，触发雪崩效应，产生雪崩增益。

[0018] 进一步的，所述重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层的厚度为0.3～1μm；Al组分范围x＝0～0.8，层中电子浓度为5×1017～5×1018cm-3。

[0019] 进一步的，所述重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层和非故意掺杂AlyGa1-yN中的Al组分满足x≥y。由于所述n型的重掺杂AlxGa1-xN欧姆接触层，兼具n型欧姆接触电极层与主要入射窗口层的作用，当Al组分x>y时其可作为衬底一侧光入射的窗口层。

[0020] 本发明的另一个目的在于，提供上述一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器的制备方法，具体方法为：在外延生长低掺杂p型层后，通过光刻形成掩模，其后对计划制作台型结构区域的器件中央部分的低掺杂p型层进行低损伤干法刻蚀，刻蚀表面损伤恢复处理，然后在此基础上二次外延生长一层高掺杂p型层，从而形成器件中央高掺杂层厚、边缘低掺杂层厚的p型层结构。

[0021] 本发明采用二次外延p型层，使p型掺杂层分区分布，即先外延生长低掺杂p型层，其后对计划制作台型结构雪崩光电探测器区域的低掺杂p型层的中央部分进行刻蚀，使中央区域厚度减薄，对刻蚀表面处理后，再次外延生长高掺杂p型层，形成台型器件的复合p型层中边缘处的低掺杂p型层厚而高掺杂p型层薄，中央区域的低掺杂p型层薄而高掺杂p型层厚的结构。在生长工艺上，本技术方案无需使用掩膜版，避免了选区外延的生长方式，因而避开了选区外延AlGaN过程中Al原子在掩膜上表面迁移率低而无法有效成膜的不利因素。采用这种技术方案，可有效降低器件的边缘电场，防止器件边缘电场过高导致的提前击穿，降低器件的表面复合暗电流，提高器件可靠性。

[0022] 进一步的，外延生长采用金属有机化学气相沉积外延外生长法(MOCVD)或分子束外延生长法(MBE)。

[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0024] 本发明提供的一种基于PIN结构的Ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器，所述p型层包括厚度不一的较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层和低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层，所述P型层的这种结构好处是能将高电场限制在台型器件中央，即限制在所述较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层中央薄边缘厚的凹型结构范围内；而在台型结构的边缘，电场强度则被降低，从而解决了因边缘电场过高而导致的提前击穿问题。这种所述p型层结构不仅可以用在PIN结构III族氮化物半导体雪崩光电探测器，还可用在基于PIN结构衍生的PININ等吸收、倍增层结构半导体雪崩光电探测器或P型层倒置NIP结构。本发明提供的制备方法采用二次外延p型层，在生长工艺上，本技术方案无需使用掩膜版，避免了选区外延的生长方式，因而避开了选区外延AlGaN过程中Al原子在掩膜上表面迁移率低而无法有效成膜的不利因素。综上，采用本发明提供的这种技术方案，可有效降低器件的边缘电场、防止器件边缘电场过高导致的提前击穿，降低器件的表面复合暗电流，提高器件可靠性。附图说明

[0025] 图1为本发明实施例1的结构示意图。

[0026] 图2为采用本发明高低掺杂P型层和采用均匀掺杂P型层器件的最高电场处横向电场对比结果图。

[0027] 图3为本发明实施例2的结构示意图。

[0028] 图4为本发明实施例3的结构示意图

具体实施方式

[0029] 本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。实施例1

[0030] 如图1所示，本实施例提供了一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，具体的为一种基于PIN结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器，具体包括：0.4μm厚的重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层101、160nm厚的非故意掺杂AlyGa1-yN层102以及100nm厚的p型层；其中，重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层101层的Al组分x＝0.6，电子浓度为2×1018cm-3，所述非故意掺杂16 -3
AlyGa1-yN层102的Al组分y＝0.4，电子浓度为6×10 cm 。

[0031] 进一步的，所述的p型层包括自上而下依次层叠的较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104、较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层103，具体参数如下：

[0032] (1)所述的低掺杂浓度的n型AlyGa1-yN层103的中央厚度为40nm，边缘厚度为80nm，边缘宽度为2μm，电子浓度为2×1017cm-3，Al组分y＝40％；

[0033] (2)所述的高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104的中央厚度为60nm，边缘厚度为20nm，边缘宽度为2μm，空穴浓度为4×1018cm-3，Al组分y＝40％。

[0034] 具体的，本实施例中所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104的边缘稍高于器件中央。

[0035] 上述基于PIN结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器的制备方法，具体为，在生长较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层103后，通过光刻形成掩模，再对其中央部分的较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层进行低损伤干法刻蚀，刻蚀表面损伤恢复处理，然后在此基础上二次外延生长一层较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104，从而形成器件中央高掺杂层厚、边缘低掺杂层厚的p型层结构。

[0036] 进一步的，外延生长采用金属有机化学气相沉积外延外生长法(MOCVD)。

[0037] 本实施例中，由高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104、低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层103构成的p型层，其空穴浓度呈现高低型的掺杂分布，与均匀掺杂浓度的p型层结构相比，能降低器件的边缘电场，防止提前击穿，降低暗电流，从而实现低噪声、高增益、高量子效率的高性能AlGaN紫外光雪崩光电探测器的制备。本实施例高低掺杂P型层和传统均匀掺杂P型层对应器件的最高电场区域横向电场对比图如图2所示，在器件中央电场大致相同条件下，可见在器件边缘40微米处，引入高低掺杂p型层器件的电场比均匀掺杂p型层器件大幅降低。实施例2

[0038] 如图3所示，本实施例提供了一种III族氮化物半导体雪崩光电探测器，具体的，为一种基于PIN结构衍生的PININ吸收、倍增分离结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器，包括：0.4μm厚的重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层301、0.18μm厚的非故意掺杂AlyGa1-yN吸收层302、
60nm厚的AlyGa1-yN电荷层303、130nm厚的非故意掺杂AlyGa1-yN倍增层304以及100nm厚的p型层；其中，Al组分x＝0.6，y＝0.4，所述重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层301的电子浓度为2×
1018cm-3，所述非故意掺杂AlyGa1-yN吸收层302的电子浓度为6×1016cm-3,电荷层303的电子浓度是1×1018cm-3，倍增层304的电子浓度是6×1016cm-3。

[0039] 进一步的，所述的p型层包括自上而下依次层叠的较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层306、较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层305，具体参数如下：

[0040] (1)低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层305的中央厚度为40nm，边缘厚度为80nm，边缘宽度为2μm，电子浓度为2×1017cm-3，Al组分y＝0.40；

[0041] (2)高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层306的中央厚度为60nm，边缘厚度为20nm，边缘宽度为2μm，空穴浓度为4×1018cm-3，Al组分y＝0.40。

[0042] 具体的，本实施例中所述较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层306的边缘稍高于器件中央。

[0043] 上述基于PIN结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器的制备方法，具体为，在生长较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层303后，通过光刻形成掩模，再对其中央部分的较低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层进行低损伤干法刻蚀，刻蚀表面损伤恢复处理，然后在此基础上二次外延生长一层较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层304，从而形成器件中央高掺杂层厚、边缘低掺杂层厚的p型层结构。

[0044] 进一步的，外延生长采用分子束外延生长法(MBE)。

[0045] 本实施例中，由高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层306、低掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层305构成的p型层，其空穴浓度呈现高低型的掺杂分布，与均匀掺杂浓度的p型层结构相比，能降低器件的边缘电场，防止提前击穿，降低暗电流，从而实现低噪声、高增益、高量子效率的高性能AlGaN紫外光雪崩光电探测器的制备。实施例3

[0046] 如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述P型层中较高掺杂浓度的p型AlyGa1-yN层104的边缘厚度与器件中央的厚度一致。

[0047] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

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