本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種AlGaN漸變組分超晶格雪崩光電二極管(APD)。

背景技術(shù)：
紫外探測在民用和軍事等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用，包括化學(xué)和生物分析(臭氧，污染物以及大部分有機(jī)化合物的吸收線在紫外光譜范圍)、火焰探測(包括火災(zāi)報(bào)警，導(dǎo)彈預(yù)警和制導(dǎo)，燃燒監(jiān)測等)、光通信(特別是衛(wèi)星間采用波長小于280nm的紫外光進(jìn)行通信)、紫外光源的校準(zhǔn)(儀器，紫外線光刻等)，以及天文學(xué)研究。傳統(tǒng)的紫外探測主要依靠光電倍增管(PMT)、熱探測器、半導(dǎo)體光電二極管(Photodiode)或電荷耦合器件(CCD)實(shí)現(xiàn)。PMT具有高增益和低噪聲，但是，其體積大且玻璃外殼易碎，同時(shí)還需要很高的電源功率。熱探測器(高溫計(jì)或輻射熱測量儀)通常用于紫外波段的校準(zhǔn)，它的響應(yīng)速度很慢而且響應(yīng)度和波長不相關(guān)。半導(dǎo)體光電二極管和CCD具有固態(tài)器件的優(yōu)勢，且只需要中等的工作電壓。半導(dǎo)體光探測器體積小、重量輕，并且對磁場不敏感。它們具有成本低，線性度好、靈敏度高的優(yōu)勢和高速工作的能力，是實(shí)現(xiàn)紫外探測的理想途徑。目前，最常用的紫外光電探測器件是基于Si材料的光電二極管，但是它和其他窄禁帶半導(dǎo)體探測器一樣面臨如下的一些固有的局限性。首先，對于Si或GaAs等這些窄禁帶半導(dǎo)體而言，紫外光的能量遠(yuǎn)高于其帶隙，它們在紫外光的照射下很容易老化。此外，鈍化層(通常是SiO2)會(huì)減少深紫外線范圍的量子效率，同時(shí)也面臨紫外線照射退化的問題。這些器件的另一個(gè)限制是其同時(shí)對低能量的光子也具有響應(yīng)，因此必須使用昂貴和復(fù)雜的濾波器來阻擋可見光和紅外線光子，導(dǎo)致有效面積有顯著損失。最后，對于某些高靈敏度的應(yīng)用，探測器的有源區(qū)必須冷卻以減少暗電流，冷卻后的探測器會(huì)作為污染物的冷阱而導(dǎo)致更低的探測率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，自下至上依次包括：襯底；緩沖層；n型層；i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層；第一p型層；i型光敏吸收層；以及第二p型層，其中，i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層包括沿垂直于襯底表面方向疊置的N個(gè)周期結(jié)構(gòu)1041～104N，N是大于等于1的整數(shù)，每個(gè)周期結(jié)構(gòu)包括一個(gè)組分漸變層，組分漸變層的最下部的材料為AlyGa1-yN，最上部的材料為AlzGa1-zN，，其中0≤z＜y≤1，組分漸變層內(nèi)任意位置的材料表示為AlcGa1-cN，隨該位置到組分漸變層下表面的垂直距離d從0增加至該組分漸變層的厚度D，c從y漸變至z。本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法，包括：提供襯底；在襯底上形成緩沖層；在緩沖層上形成n型層；在n型層上形成i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層；在i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層上形成第一p型層；在第一p型層上形成i型光敏吸收層；以及在i型光敏吸收層上形成第二p型層，其中，形成i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層包括：沿垂直于襯底表面方向形成疊置的N個(gè)周期結(jié)構(gòu)1041～104N，N是大于等于1的整數(shù)，每個(gè)周期結(jié)構(gòu)包括一個(gè)組分漸變層，組分漸變層的最下部的材料為AlyGa1-yN，最上部的材料為AlzGa1-zN，，其中0≤z＜y≤1，組分漸變層內(nèi)任意位置的材料表示為AlcGa1-cN，隨該位置到組分漸變層下表面的垂直距離d從0增加至該組分漸變層的厚度D，c從y漸變至z。附圖說明圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的AlGaN基漸變組分超晶格雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的組分漸變層中組分變化曲線示例；以及圖3a～3j示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的AlGaN漸變組分超晶格雪崩光電二極管的制造方法。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的發(fā)明人注意到，基于AlGaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的紫外光電探測器可以克服上述的諸多缺點(diǎn)。對光電二極管來說而言，寬的禁帶寬度使得探測器可以在室溫工作，同時(shí)對可見光不響應(yīng)。另外，寬禁帶半導(dǎo)體擊穿場強(qiáng)高、物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，十分適合在高溫和大功率條件下工作。它們抗紫外輻照能力強(qiáng)，一般也不需要鈍化處理，因此可以提高在紫外波段的響應(yīng)度和穩(wěn)定性。AlGaN基材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體，且禁帶寬度隨組分可調(diào)。但是，發(fā)明人也注意到，基于AlGaN的同質(zhì)結(jié)探測器電子和空穴離化系數(shù)相近，器件噪聲功率太高，不利于弱光探測?；贏lGaN基的超晶格結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)電子的離化系數(shù)，降低空穴的離化系數(shù)，大大降低了噪聲，同時(shí)周期數(shù)可任意調(diào)節(jié)，以獲得足夠高的增益來探測弱光。但是，超晶格結(jié)構(gòu)中電子的勢壘過高，造成了載流子的束縛，使響應(yīng)時(shí)間大大增長，不利于在對速度要求較高的場合中應(yīng)用。圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的AlGaN基漸變組分超晶格雪崩光電二極管100的結(jié)構(gòu)示意圖，其自下至上依次包括：襯底101、緩沖層102、n型層103、i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層104、第一p型層105、i型光敏吸收層106、以及第二p型層107。在第二p型層107上表面形成有p型歐姆電極108。n型層103及其上的各層形成倒“T”形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)沿垂直襯底方向的截面呈倒“T”形，包括與緩沖層102接觸的底部和底部之上的豎直部分。該結(jié)構(gòu)的底部包括第一部分n型層103。在該底部的上表面邊緣設(shè)有n型歐姆電極109。該豎直部分包括第二部分n型層103及n型層103上的各層，該第二部分n型層103位于第一部分n型層103之上。該豎直部分的側(cè)表面覆蓋有鈍化層110。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，鈍化層110還可以延伸到第二p型層107的部分上表面和/或第一部分n型層103的部分上表面。如圖1所示，i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層104包括沿垂直于襯底表面方向疊置的N個(gè)周期結(jié)構(gòu)1041～104N，N是大于等于1的整數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，N可以是大于等于1且小于等于100的整數(shù)。每個(gè)周期結(jié)構(gòu)包含勢阱層、勢壘層、以及位于勢壘層與勢阱層之間的組分漸變層。每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的組分漸變層的材料表示為AlyGa1-yN/AlcGa1-cN/AlzGa1-zN，其中0≤z＜y≤1，即，組分漸變層的最下部的材料為AlyGa1-yN，最上部的材料為AlzGa1-zN，組分漸變層內(nèi)任意位置的材料表示為AlcGa1-cN，隨該位置到組分漸變層下表面的垂直距離d從0增加至該組分漸變層的厚度D，c從y漸變至z。如圖2所示，c從y到z的漸變方式包括但不限于線性變化、階梯變化、指數(shù)變化、三角函數(shù)變化等。c從y到z的漸變方式可以包括先增大后減小的變化或先減小后增大的變化方式，也可以包括單調(diào)增加的變化方式。不論c采取何種變化方式，只需保證從y漸變到z即可。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少有一個(gè)組分漸變層的以下任意一項(xiàng)與其他組分漸變層的對應(yīng)項(xiàng)不同：y值、z值、或c的變化方式。使用這種光電二極管的探測器的工作特點(diǎn)在于，當(dāng)經(jīng)由p型歐姆電極108和n型歐姆電極109外加足夠的反偏電壓時(shí)，使i型AlGaN漸變組分超晶格倍增層104中的i型超晶格的工作狀態(tài)置于雪崩狀態(tài)，在保證增強(qiáng)電子碰撞離化的同時(shí)，增強(qiáng)了電子的輸運(yùn)能力，改善了響應(yīng)速度。這種探測器特別適用于紫外光的探測。圖3a～3j示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的AlGaN漸變組分超晶格雪崩光電二極管的制造方法。如圖3a所示，選擇適于生長AlGaN材料的襯底101。襯底101包括但不限于以下中的任意一種：GaN、AlN、藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、硅上生長的氧化鋁復(fù)合襯底，硅上生長的氮化鋁復(fù)合襯底、硅上生長的氧化鋅復(fù)合襯底等。如圖3b所示，在該襯底101上生長AlxGa1-xN(0≤x≤1)低溫緩沖層102。低溫緩沖層102的厚度可以是10～1000nm。如圖3c所示，在上述緩沖層102上生長一層n型AlxGa1-xN(0≤x≤1)體材料層103。n型材料層103的厚度可以是1～10μm。如圖3d所示，在n型AlxGa1-xN(0≤x≤1)體材料層103上生長超晶格雪崩倍增層104，包括沿垂直于襯底表面方向疊置的N個(gè)周期結(jié)構(gòu)1041～104N，N大于等于1。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，N可以是大于等于1且小于等于100的整數(shù)。每個(gè)周期結(jié)構(gòu)包含勢阱層、勢壘層、以及位于勢壘層與勢阱層之間的組分漸變層。勢壘和/或勢阱層的厚度分別可以為0～1000nm。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以省略勢壘和/或勢壘層。組分漸變層的厚度可以大于0且小于1000nm。每個(gè)周期結(jié)構(gòu)的組分漸變層的材料表示為AlyGa1-yN/AlcGa1-cN/AlzGa1-zN，其中0≤z＜y≤1，即，組分漸變層的最下部的材料為AlyGa1-yN，最上部的材料為AlzGa1-zN，組分漸變層內(nèi)任意位置的材料表示為AlcGa1-cN，隨該位置到組分漸變層下表面的垂直距離d從0增加至厚度D，c從y漸變至z。如圖2所示，c從y到z的漸變方式包括但不限于線性變化、階梯變化、指數(shù)變化、三角函數(shù)變化等。c從y到z的漸變方式可以包括先增大后減小的變化或先減小后增大的變化方式，也可以包括單調(diào)增加的變化方式。不論c采取何種變化方式，只需保證從y漸變到z即可。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少有一個(gè)組分漸變層的以下任意一項(xiàng)與其他組分漸變層的對應(yīng)項(xiàng)不同：y值、z值、或c的變化方式。如圖3e所示，在超晶格雪崩倍增層104上生長第一p型材料AlxGa1-xN(0≤x≤1)層105。第一p型層105的厚度可以為0～1500nm。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以省略第一p型層105。如圖3f所示，在p型AlxGa1-xN(0≤x≤1)層105上生長一層i型AlpGa1-pN(0≤p≤1)光敏吸收層106。i型光敏吸收層106的厚度可以為0～3000nm。如圖3g所示，在i型光敏吸收層106上生長第二p型材料AlqGa1-qN(0≤q≤1)層107。第二p型層107的厚度可以為0～1500nm。如圖3h所示，使用刻蝕技術(shù)將層103的一部分和層104～107，形成倒“T”形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)沿垂直襯底方向的截面呈倒“T”形。該結(jié)構(gòu)包括與緩沖層102接觸的底部和底部之上的豎直部分。該倒“T”形結(jié)構(gòu)的底部包括第一部分n型層103，該豎直部分包括第二部分n型層103及n型層103上的層104～107，該第二部分n型層103位于第一部分n型層103之上。所述刻蝕技術(shù)包括但不限于以下中的任一種：感應(yīng)耦合等離子體(ICP)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、濕法刻蝕等。如圖3i所示，在第二p型層107上沉積p型歐姆電極108，在第一部分n型層103的邊緣上沉積n型歐姆電極109。所述p型歐姆電極108包括但不限于以下中的任一種：Ni/Au透明電極、ITO透明電極、ZnO透明電極。所述n型歐姆電極109包括但不限于以下中的任一種：Ti/Al或Cr/Au等。如圖3j所示，在倒“T”形結(jié)構(gòu)的豎直部分的側(cè)表面上沉積鈍化層110。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，鈍化層110還可以延伸到第二p型層107的部分上表面和/或第一部分n型層103的部分上表面。沉積鈍化層110方法包括但不限于等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等。鈍化層110的材料包括但不限于以下中的任一種：SiNx，SiO2，苯并環(huán)丁烯(BCB)等。本發(fā)明具有以下一項(xiàng)或多項(xiàng)有益效果：(1)使用漸變組分超晶格結(jié)構(gòu)，在保持大的帶階同時(shí)，使電子勢壘緩慢變化，有效緩解了勢壘對電子的阻擋作用，在保持器件高增益的同時(shí)，大大增加了器件的響應(yīng)速度。同時(shí)減輕了載流子在勢壘的積聚，也減少了載流子在倍增層的復(fù)合，可以獲得更好的倍增效果。(2)組分漸變使能帶緩慢變化，減少了電子在越過勢壘時(shí)的能量損失，進(jìn)一步增強(qiáng)了電子的碰撞離化能力，可以獲得更高的k值，從而有效降低噪聲。(3)同時(shí)將碰撞離化控制在更容易發(fā)生雪崩的窄禁帶區(qū)域內(nèi)，即勢阱區(qū)，其它區(qū)域禁帶寬度較大，碰撞離化所需能量閾值較高，從而減少了雪崩過程的隨機(jī)性，可以進(jìn)一步降低噪聲。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。