本實(shí)用新型涉及光電探測器領(lǐng)域，具體涉及一種單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極管。

背景技術(shù)：

雙色探測，甚至多色探測是未來探測技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，其在氣象監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、導(dǎo)彈制導(dǎo)等民用和軍用領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價值。單一波長的探測方式容易受到背景輻射、干擾信號等影響，如果探測器能同時具有紫外-紅外雙波段的獨(dú)立探測能力，則可以大大增加探測的可靠性、魯棒性和精確性。特別地，在一些復(fù)雜應(yīng)用場景中，到達(dá)探測器的光信號非常微弱，這就要求探測器在兩個波段能同時具有更高的響應(yīng)度，即希望探測器能工作于增益模式。

光電倍增管（PMT）在紫外波段具有極高的增益和低的噪聲，但對紅外波段幾乎不響應(yīng)，而且相對于半導(dǎo)體探測器具有體積大、易脆的缺點(diǎn)。

目前，在半導(dǎo)體增益型探測器中，硅基雪崩光電二極管的應(yīng)用最為廣泛，但受硅材料禁帶寬度的制約，一方面在紫外光照射下容易老化，一方面對波長長于1100 nm的光波基本不響應(yīng)，也不是理想的紫外-紅外雙色雪崩探測器件。

GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料物理和化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，且其禁帶寬度剛好在紫外波段附近，是較為理想的制作紫外探測器件的材料。另外，隨著材料外延技術(shù)的進(jìn)步，異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)的成功制備使得氮化物材料探測紅外光波成為可能。因此，采用氮化物材料來發(fā)展單片集成紫外-紅外雙色探測技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的GaN基紫外-紅外雙色探測器件主要是基于體材料帶間躍遷（紫外探測）與導(dǎo)帶帶階的內(nèi)光電子發(fā)射（紅外探測）或子帶能級躍遷（紅外探測）相結(jié)合的光電導(dǎo)模式，其工作原理限制了器件不能工作于雪崩探測模式。在傳統(tǒng)的GaN基吸收倍增分離式雪崩光電二極管中，吸收區(qū)采用體材料，只能夠?qū)ψ贤夤猱a(chǎn)生響應(yīng)。因此，若將吸收區(qū)的體材料換成周期性異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)，利用帶間躍遷實(shí)現(xiàn)對紫外光的探測，利用導(dǎo)帶內(nèi)子帶能級間躍遷實(shí)現(xiàn)紅外光探測，則可同時實(shí)現(xiàn)紫外-紅外雙波段的雪崩探測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極管，解決了目前單片集成雙色探測器件中不能同時實(shí)現(xiàn)雙波段雪崩探測的問題，能有效保證在兩個波段具有高的響應(yīng)度。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極管，其特征在于，所述二極管的材料結(jié)構(gòu)自下至上包括：襯底、緩沖層、下電極接觸層、本征倍增層、電荷層、周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層、上電極接觸層；所述本征倍增層為光生電子發(fā)生碰撞離化區(qū)域；所述下電極接觸層的上面設(shè)有n型下歐姆接觸電極，所述上電極接觸層的上面設(shè)有p型歐姆接觸電極。

或者，單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極管，其特征在于，所述二極管的材料結(jié)構(gòu)自下至上包括：襯底、緩沖層、下電極接觸層、本征倍增層、電荷層、周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層、上電極接觸層；所述本征倍增層為光生電子發(fā)生碰撞離化區(qū)域；所述下電極接觸層的上面設(shè)有n型下歐姆接觸電極，所述上電極接觸層的上面設(shè)有p型歐姆接觸電極，所述電荷層的上面靠近臺面邊緣處設(shè)有另一p型歐姆接觸電極，形成三電極控制器件。

所述器件的襯底一側(cè)面制成斜面或者在制作p型歐姆接觸電極之前在上電極接觸層上制作一維光柵或二維光柵

所述襯底可以為藍(lán)寶石（Al₂O₃）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、硅（Si）、氧化鋅（ZnO）等材料中的任意一種，用于探測器材料結(jié)構(gòu)生長。

所述緩沖層生長在襯底之上，然后依次生長下電極接觸層、本征倍增層、電荷層和上電極接觸層，所述緩沖層、下電極接觸層、本征倍增層、電荷層和上電極接觸層所選的材料為鋁鎵氮（AlGaN）、銦鎵氮（InGaN）、銦鋁氮（InAlN）、銦鋁鎵氮（InAlGaN）、碳化硅（SiC）中的一種或不同種。

所述下電極接觸層的n型摻雜濃度在1×10¹⁷ cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之間，厚度為0.1μm至10μm，用于制作n型歐姆接觸電極；

所述本征倍增層的厚度為0.05μm至1.0μm，為光生載流子發(fā)生雪崩倍增的區(qū)域；

所述電荷層的p型摻雜濃度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10¹⁹ cm^-3之間，厚度為0.01μm至0.15μm，用于吸收層和倍增層電場的調(diào)節(jié)；

所述周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層采用Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN材料系，或者采用In_yGa_1-yN/In_xGa_1-xN、InGaN/AlGaN材料系，其中0≤x＜y≤1，形成周期數(shù)為1至500的量子阱或超晶格的結(jié)構(gòu)，電子從導(dǎo)帶基態(tài)能級到激發(fā)態(tài)能級的躍遷對應(yīng)于紅外光子的吸收，從價帶到導(dǎo)帶的躍遷對應(yīng)于紫外光子的吸收。Al_xGa_1-xN或In_yGa_1-yN材料n型摻雜，摻雜濃度在5×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之間，厚度為0.001μm至0.02μm，Al_yGa_1-yN或In_xGa_1-xN厚度為0.001μm至0.02μm；

所述上電極接觸層采用p型摻雜的Al_zGa_1-zN，0≤z≤1，摻雜濃度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10¹⁹ cm^-3之間，厚度為0.05μm至0.2μm，用于制作p型歐姆接觸電極。

制備單片集成紫外-紅外雙色雪崩光電二極管的方法，其步驟如下：

（1）在襯底上生長緩沖層；

（2）在緩沖層上生長下電極接觸層；

（3）在下電極接觸層上生長本征倍增層；

（4）在本征倍增層之上生長電荷層；

（5）在電荷層之上生長周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層；

（6）在周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層之上生長上電極接觸層；

（7）在下電極接觸層上制作n型歐姆接觸電極，在上電極接觸層之上制作p型歐姆接觸電極，形成雙電極控制器件，或者在電荷層之上增加另一p型歐姆接觸電極形成三電極控制器件；

（8）為了實(shí)現(xiàn)對近紅外光的耦合，將制作完成后的器件的襯底一側(cè)面制成斜面或者在制作p型歐姆接觸電極之前在上電極接觸層上制作一維光柵或二維光柵。

在本實(shí)用新型的器件工作時，將在p型歐姆接觸電極和n型歐姆接觸電極之間施加較高的反向電壓。由于周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層位于p型上電極接觸層和p型電荷層之間，施加在其上面的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于位于p型電荷層和n型下電極接觸層之間的本征倍增層，理論上電子能在本征倍增層中發(fā)生碰撞離化的情況下，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層基態(tài)能級上的電子并不會由于電場的作用而被耗盡。在有紅外光入射時，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層基態(tài)能級上的電子躍遷到激發(fā)態(tài)能級上，然后光生電子直接從激發(fā)態(tài)能級遷移到本征倍增層中發(fā)生碰撞離化，實(shí)現(xiàn)對紅外光子的雪崩探測。其中，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層內(nèi)基態(tài)能級和激發(fā)態(tài)能級的能量差將決定所吸收紅外光子的波長。在紫外光入射時，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層量子阱（或量子勢壘）內(nèi)的電子從價帶躍遷導(dǎo)帶中，產(chǎn)生的光生電子再遷移到本征倍增層中發(fā)生碰撞離化，實(shí)現(xiàn)對紫外光子的雪崩探測。其中，吸收紫外光子的長波限主要受限于吸收層材料的禁帶寬度?；诒緦?shí)用新型所描述的器件，可以同時實(shí)現(xiàn)紫外-紅外雙色雪崩探測，提高在兩個波段的響應(yīng)靈敏度。

特別的，為了防止吸收層基態(tài)能級上的電子在大反向偏壓和氮化物材料極化電場的共同作用下被耗盡，從而影響器件在紅外波段的工作，還可將器件制作成雙臺面結(jié)構(gòu)以形成三電極控制器件，對周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層和本征倍增層施加不同的電場分別調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)。具體的制作方法是將大臺面結(jié)構(gòu)刻蝕到下電極接觸層，小臺面結(jié)構(gòu)以刻蝕到電荷層為宜，隨后在臺面區(qū)域以外（下電極接觸層）制作n型歐姆接觸電極，在小臺面之上（上電極接觸層）制作第一p型歐姆接觸電極，在露出的電荷層之上制作第二p型歐姆接觸電極。通過在第一和第二p型歐姆接觸電極間施加較小的電壓差控制周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層的能帶結(jié)構(gòu)基本處于平帶狀態(tài)，以保證基態(tài)能級上有足夠的電子填充，在第二p型歐姆接觸電極和n型歐姆接觸電極間施加較大的反向電壓，利于光生載流子發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型在反向工作電壓下的能帶結(jié)構(gòu)示意圖及載流子輸運(yùn)示意圖。

圖2 為實(shí)施例1的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例1中的周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例2的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為實(shí)施例2的周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，101－下電極接觸層，103－本征倍增層，105－電荷層，107－周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，109－上電極接觸層，201－襯底，203－緩沖層，205－n型下歐姆接觸電極，207－p型上歐姆接觸電極，209－第一p型歐姆接觸電極，211－第二p型歐姆接觸電極，301－吸收層電子基態(tài)能級波函數(shù)，303－吸收層電子激發(fā)態(tài)能級波函數(shù)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，對器件工作狀態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)及載流子動力學(xué)過程進(jìn)行展示，其中101為下電極接觸層，103為本征倍增層，105為電荷層，107為周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，109為上電極接觸層。在工作狀態(tài)下，需要給器件施加較大的反向偏壓，這時在本征倍增層中將產(chǎn)生大的電勢差，該層的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他層的電場強(qiáng)度，為光生載流子發(fā)生碰撞離化提供足夠的動能。同時，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層的能帶基本處于平帶狀態(tài)，以保證基態(tài)能級被電子有效填充。在紅外光激發(fā)下，周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層基態(tài)能級上的電子躍遷到激發(fā)態(tài)能級成為光生電子，光生電子在電場的作用下通過共振隧穿進(jìn)入電荷層，最后遷移到本征倍增層中發(fā)生碰撞離化，完成對紅外光子的雪崩探測。吸收紅外光子的能量由基態(tài)能級和激發(fā)態(tài)能級的能量差決定。同理，在紫外光的激發(fā)下，異質(zhì)結(jié)量子阱和量子勢壘中價帶內(nèi)的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上，形成光生電子，光生電子最終再遷移到本征倍增層中完成對紫外光子的雪崩探測。紫外光的峰值響應(yīng)波長和響應(yīng)譜半寬一方面與材料的禁帶寬度有關(guān)，另外還與光生電子在導(dǎo)帶內(nèi)不同能量分布上的輸運(yùn)效率有關(guān)。

如圖2所示，本實(shí)例所述的器件結(jié)構(gòu)的截面示意圖，該結(jié)構(gòu)利用分子束外延技術(shù)（MBE）在藍(lán)寶石襯底上生長而成。自襯底201向上依次為緩沖層203、下電極接觸層101、本征倍增層103、電荷層105、周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層107和上電極接觸層109，具體的制備方法如下：

（1）先在藍(lán)寶石襯底上生長1μm 的AlN緩沖層；

（2）在AlN緩沖層上接著生長800 nm的n型GaN下電極接觸層，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3；

（3）在n型GaN下電極接觸層上再生長300 nm的GaN倍增層，即雪崩區(qū)；

（4）在GaN倍增層之上生長50 nm的p型GaN電荷層，p型摻雜濃度為5×10¹⁷ cm^-3；

（5）在p型GaN電荷層之上生長50個周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，兩種薄層材料交替生長并保持嚴(yán)格周期性，GaN層n型摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁹ cm^-3；

（6）在50個周期GaN（1.5 nm）/AlN（1.5 nm）異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層上再生長100 nm的p型GaN上電極接觸層，摻雜濃度為1×10¹⁹ cm^-3；

（7）采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝、ICP刻蝕工藝將生長完成后的材料樣品的部分區(qū)域刻蝕至n型GaN下電極接觸層，形成直徑為數(shù)十微米至數(shù)百微米的圓形臺面結(jié)構(gòu)；

（8）采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在圓形臺面結(jié)構(gòu)之上沉積厚度為2.5 nm/5 nm的Ni/Au透明電極，然后在刻蝕后露出的n型GaN表面采用濺射的方法沉積厚度為20 nm/300 nm的Ti/Au電極；

（9）制作電極后的樣品在空氣氛圍中600℃退火5 min；

（10）采用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PECVD）在樣品表面沉積300 nm SiO₂鈍化保護(hù)層，采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）技術(shù)將金屬電極上的SiO₂鈍化層刻蝕掉；

（11）最后將襯底的底面一側(cè)磨成45°角。

器件工作時，紫外光從正上方入射，經(jīng)過Ni/Au透明電極和p型GaN上電極接觸層到達(dá)周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，發(fā)生帶間吸收。對于紅外光，將從45°斜面入射，以滿足子帶躍遷的偏振選擇條件，即入射光要有垂直于外延生長平面的電場分量。

如圖3所示，為計(jì)算得到的周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層（只給出6個周期）導(dǎo)帶示意圖和電子波函數(shù)分布，其中301為基態(tài)波函數(shù)分布，303為激發(fā)態(tài)波函數(shù)分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基態(tài)能級和激發(fā)態(tài)能級的能量差約為0.8 eV，意味著將對波長為1.55μm附近的近紅外產(chǎn)生響應(yīng)。對于紫外光，根據(jù)導(dǎo)帶基態(tài)能級和價帶基態(tài)能級的計(jì)算結(jié)果，其長波吸收限在320 nm附近，即對波長長于320 nm的光波基本不響應(yīng)。

實(shí)施例2

如圖4所示，為實(shí)施例2所述的器件結(jié)構(gòu)的截面示意圖，其中201為襯底，203為緩沖層，101為下電極接觸層，103為本征倍增層，105為電荷層，107為周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，109為上電極接觸層，205為下歐姆接觸電極，209為第一p型歐姆接觸電極，211為第二p型歐姆接觸電極，材料生長采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積技術(shù)（MOCVD）。

具體的制備方法如下：

（1）首先在GaN單晶襯底上生長0.5μm 的GaN緩沖層；

（2）然后生長600 nm的n型GaN下電極接觸層，摻雜濃度為1×10¹⁹ cm^-3；

（3）再在n型GaN下電極接觸層上生長200 nm的GaN倍增層，即雪崩區(qū)；

（4）在GaN倍增層之上生長150 nm的p型Al_0.21Ga0_.79N電荷層，p型摻雜濃度為2×10¹⁷ cm^-3；

（5）在p型Al_0.21Ga0_.79N電荷層之上再生長30個周期、厚度為4 nm/3 nm的GaN/Al_0.5Ga0_.5N異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，兩種薄層材料交替生長并保持嚴(yán)格周期性，GaN層n型摻雜，摻雜濃度為5×10¹⁹ cm^-3；

（6）在30個周期、厚度為4 nm/3 nm的GaN/Al_0.5Ga0_.5N異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層之上再生長100 nm的p型Al_0.21Ga_0.79N上電極接觸層，摻雜濃度為1×10¹⁸ cm^-3，為了改善p型電極的歐姆接觸特性，還可以再生長20 nm的p型重?fù)诫sGaN層，摻雜濃度為1×10¹⁹ cm^-3；

（7）采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝、ICP刻蝕工藝將生長完成后的材料樣品的部分區(qū)域刻蝕至n型GaN下電極接觸層，形成直徑為100μm的圓形臺面結(jié)構(gòu)；

（8）以SiO₂為掩膜，采用ICP刻蝕技術(shù)將圓形臺面上直徑從50-100μm的圓環(huán)區(qū)域刻蝕至電荷層，整體形成小臺面直徑為50μm，大臺面直徑為100μm的雙臺面結(jié)構(gòu)；

（9）采用全息曝光技術(shù)和ICP刻蝕技術(shù)在小臺面上表面制作出一維或二維光柵結(jié)構(gòu)；

（10）采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在小臺面之上沉積厚度為200 nm的氧化銦錫（ITO）透明電極（即第一p型歐姆接觸電極），在電荷層上沉積厚度為30 nm/300 nm的Ni/Au第二p型歐姆接觸電極，然后再在刻蝕形成的n型GaN表面沉積厚度為20 nm/300 nm的Cr/Au電極；

（11）制作電極后的樣品在氧氣氛圍中500℃退火10 min；

（12）采用PECVD技術(shù)在樣品表面沉積300 nm SiN_x鈍化保護(hù)層，采用RIE技術(shù)將金屬電極上的SiN_x鈍化層刻蝕掉。

在所述材料結(jié)構(gòu)中，電荷層和上電極接觸層均采用Al_0.21Ga_0.79N材料，這樣選擇的目的是為了使其晶格常數(shù)與吸收層整體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)基本匹配，從而避免在吸收層中產(chǎn)生極化電場，保證其處于平帶狀態(tài)。器件工作時，紫外光和紅外光均從正上方入射，經(jīng)過ITO透明電極和上電極接觸層到達(dá)周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層，分別發(fā)生帶間吸收和子帶間吸收。光柵的作用是為了讓紅外光衍射，產(chǎn)生能夠激勵子帶躍遷的垂直于外延生長平面的電場分量。由于光柵結(jié)構(gòu)只針對紅外光，其尺寸遠(yuǎn)大于紫外光的波長，因此基本對紫外光的傳輸不會產(chǎn)生影響。器件工作采用三個電極控制，施加在n型歐姆接觸電極、第一p型歐姆接觸電極和第二p型歐姆接觸電極上的電壓分別記為V_n、V_p1、和V_p2，通過V_n和V_p2的相對大小調(diào)控倍增層的能帶結(jié)構(gòu)，通過V_p1和V_p2的相對大小調(diào)控吸收層的能帶結(jié)構(gòu)。為了使吸收層的光生電子能有效輸運(yùn)到倍增層中且基態(tài)能級上的電子不被耗盡，施加的V_p1應(yīng)略小于V_p2，同時為了在倍增層產(chǎn)生足夠的大的電場，V_p2應(yīng)遠(yuǎn)小于V_n。

如圖5所示，為計(jì)算得到的該實(shí)施例器件周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸收層（只給出4個周期）導(dǎo)帶示意圖和電子波函數(shù)分布，其中301為基態(tài)波函數(shù)分布，303為激發(fā)態(tài)波函數(shù)分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基態(tài)能級和激發(fā)態(tài)能級的能量差約為0.27 eV，則器件的峰值紅外響應(yīng)波長在4.6μm附近。對于紫外光，根據(jù)導(dǎo)帶基態(tài)能級和價帶基態(tài)能級的計(jì)算結(jié)果，其長波吸收限在340 nm附近，即對波長長于340 nm的光波基本不響應(yīng)。