本公开公开涉及半导体探测技术领域，尤其涉及一种基于GaN/AlN周期性结构倍增层的红外半导体雪崩探测器及其制备方法。
背景技术：
任何高于绝对零度(-273.15℃)的物质都可以产生红外光，红外光中包含了物质的丰富信息。因此红外探测是人类信息获取的主要手段之一，它将不可见的红外辐射转化为了可测量的电信号，使人们得到了更为丰富的客观世界的信息。红外波段所具有的独特的光谱特性，使其在热成像，红外遥感，军事防御，医疗检测，光纤通信方面有着重要的应用，而针对红外波段的光电子探测器件是实现这些应用的关键技术。
雪崩光电二极管(APD)是具有内部增益的光电探测器件，相对于其他探测器件具有更高的灵敏度，其广泛应用于微弱光信号探测中。而现有雪崩探测器进行探测时，一般都工作于盖革模式，其过剩噪声很大，导致器件信噪比较低，同时需要配以复杂的周期性淬灭电路，维持器件的稳定工作状态。而采用GaN/AlN超晶格材料为倍增区，可以利用GaN，AlN异质结导带带阶大，同时拥有较深的孤立的Γ能谷的特点，提高电子的离化碰撞，同时抑制空穴的离化碰撞，实现单极离化机制，进而在线性模式下达到理想的高增益。但由于GaN、AlN属于宽禁带半导体，吸收光谱范围在紫外区，限制了探测器的应用范围。并且由于GaN、AlN材料晶格常数与适合于红外吸收的窄禁带半导体晶格常数相差较大，材料生长难度极大，因此难以实现利用GaN、AlN材料作为倍增层对红外光的检测。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于GaN/AlN周期性结构倍增层的红外半导体雪崩探测器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种红外半导体雪崩探测器，包括：GaN/AlN超晶格倍增结构及在该GaN/AlN超晶格倍增结构上的窄禁带半导体吸收结构；其中，所述GaN/AlN超晶格倍增结构与所述窄禁带半导体吸收结构键合连接。
在一些实施例中，所述GaN/AlN超晶格倍增结构由下而上依次包括：衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、GaN/AlN超晶格倍增层及p型GaN层。
在一些实施例中，所述n型GaN缓冲层和n型GaN层的总厚度为1～3μm；所述p型GaN层厚度为10～50nm；所述GaN/AlN超晶格倍增层的周期数≥1，势垒或势阱的宽度范围均介于0～100nm之间。
在一些实施例中，所述窄禁带半导体吸收结构包括：i型窄禁带半导体层及形成于所述i型窄禁带半导体层上的p型窄禁带半导体层；其中所述i型窄禁带半导体层为针对红外波段的吸收层。
在一些实施例中，所述i型窄禁带半导体层的厚度为10nm～2μm；所述p型窄禁带半导体层的厚度为100nm～500nm；所述吸收层的材质为InSb。
根据本公开的另一个方面，提供了一种红外半导体雪崩探测器的制备方法，包括：
制备GaN/AlN超晶格倍增结构；
制备窄禁带半导体吸收结构；以及
键合所述GaN/AlN超晶格倍增结构和所述窄禁带半导体吸收结构。
在一些实施例中，所述制备GaN/AlN超晶格倍增结构的步骤包括：
在一衬底上生长n型GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长n型GaN层；
在所述n型GaN层上周期性生长GaN/AlN超晶格倍增层作为光生载流子的雪崩放大区；以及
在所述GaN/AlN超晶格倍增层上生长p型GaN层作为电场调节层。
在一些实施例中，所述制备窄禁带半导体吸收结构的步骤包括：
在一衬底上生长i型窄禁带半导体层，作为针对红外波段的吸收层；以及
在所述i型窄禁带半导体层上沉积p型窄禁带半导体层，或通过离子注入使所述i型窄禁带半导体层上表面形成p型层。
在一些实施例中，键合所述GaN/AlN超晶格倍增结构和所述窄禁带半导体吸收结构的步骤包括：
剥离所述窄禁带半导体吸收结构的衬底，露出所述i型窄禁带半导体层表面；
在所述GaN/AlN超晶格倍增结构的p型GaN层上沉积金属氧化物层；以及
将所述i型窄禁带半导体层与金属氧化物层加压贴合后，高温退火使其键合。
在一些实施例中，所述的红外半导体雪崩探测器的制备方法，还包括：形成电极和钝化层，其包括：
刻蚀所述GaN/AlN超晶格倍增结构形成台面；
在所述p型窄禁带半导体层上沉积p电极，在所述n型GaN层上沉积n电极；以及
在所述台面上沉积钝化层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于GaN/AlN周期性结构倍增层的红外半导体雪崩探测器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开基于吸收区和倍增区分离的红外雪崩探测器结构，将吸收区选择和红外波段相匹配的半导体吸收层材料，使其对红外波段的信号产生较高的响应度和量子效率，将GaN/AlN周期性材料为倍增区，利用GaN/AlN超晶格结构中导带带阶大于价带带阶的优点，使电子离化系数远大于空穴，大大提高了电子离化系数，从而提高了电子空穴的离化系数比，实现了电子的单极离化，得到高增益、低过剩噪声的探测器。
(2)本公开采用键合的方式将基于吸收区和倍增区分离的红外雪崩探测器结构结合，实现了以窄禁带半导体作为吸收区而以GaN/AlN超晶格材料为倍增区的红外线性雪崩探测器。
附图说明
图1为依据本公开实施例红外半导体雪崩探测器结构示意图。
图2为依据本公开实施例GaN/AlN超晶格倍增区结构示意图。
图3为依据本公开实施例窄禁带半导体吸收区结构示意图。
图4为依据本公开实施例红外半导体雪崩探测器制备方法流程图。
图5为依据本公开实施例红外半导体雪崩探测器制备过程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
针对红外波段的高增益线性雪崩探测器的需求，本公开提供了一种以窄禁带半导体作为吸收区而以GaN/AlN超晶格材料为倍增区的红外半导体雪崩探测器及其制备方法。本公开将传统的p-i-n结构的i区，以及高掺杂浓度的薄p层分开形成分离的吸收层和倍增层，电场主要分布于GaN/AlN超晶格倍增层，而红外光被窄禁带半导体吸收层吸收转化成电子空穴对，电子向正电极移动，经过倍增i层时激发雪崩倍增，从而产生倍增响应电流。
本公开提供了一种红外半导体雪崩探测器，如图1所示，所述红外半导体雪崩探测器包括：GaN/AlN超晶格倍增结构及在该GaN/AlN超晶格倍增结构上的窄禁带半导体吸收结构；其中，所述GaN/AlN超晶格倍增结构与所述窄禁带半导体吸收结构键合连接。
具体的，如图2所示，所述GaN/AlN超晶格倍增结构由下而上依次包括：衬底、GaN缓冲层(具体为n型GaN低温缓冲层)、n型GaN层、GaN/AlN超晶格倍增层及p型GaN层(薄p层)。其中，所述衬底为适合生长高质量GaN材料的衬底。通过将GaN/AlN周期性材料作为倍增区，利用GaN/AlN超晶格结构中导带带阶大于价带带阶的优点，使电子离化系数远大于空穴，大大提高了电子离化系数，从而提高电子空穴的离化系数比，实现了电子的单极离化。
更具体而言，所述GaN/AlN超晶格倍增层作为光生载流子的雪崩放大区。所述的n型GaN缓冲层和n型GaN层的总厚度为1～3μm；所述p型GaN层作为电场调节区，其厚度为10～50nm；所述GaN/AlN超晶格倍增层的周期数≥1，势垒或势阱的宽度范围均介于0～100nm之间。
如图3所示，所述窄禁带半导体吸收结构由下而上依次包括：衬底、i型窄禁带半导体层及p型窄禁带半导体层。其中，所述i型窄禁带半导体层为针对红外波段的吸收层。通过将吸收区选择和红外波段相匹配的半导体吸收层材料，使其对红外波段的信号产生较高的响应度和量子效率。
更具体而言，所述的i型窄禁带半导体层的厚度为10nm～2μm；所述的p型窄禁带半导体层的厚度为100nm～500nm；所述吸收层的材质为InSb，但并不仅限于此。
在本公开红外半导体雪崩探测器中，通过剥离所述窄禁带半导体吸收结构的衬底(由此，所述红外半导体雪崩探测器的窄禁带半导体吸收结构中不再包括所述衬底)，露出i型窄禁带半导体层表面，在所述GaN/AlN超晶格倍增结构的p型GaN层上沉积单个或多个(优选不多于10个)原子层的金属氧化物，以及将所述i型窄禁带半导体层与金属氧化物层加压贴合并高温退火，从而使所述GaN/AlN超晶格倍增结构与所述窄禁带半导体吸收结构键合。
另外，本公开还提供了一种红外半导体雪崩探测器制备方法，如图4-5所示，所述红外半导体雪崩探测器制备方法包括以下步骤：
S1，制备GaN/AlN超晶格倍增结构，其包括以下子步骤：
S11，选择合适生长高质量GaN材料的衬底。
S12，在所述衬底上生长n型GaN低温缓冲层。
S13，在所述缓冲层上生长一层n型GaN层。
S14，在所述n型GaN层上周期性生长GaN/AlN超晶格倍增层作为光生载流子的雪崩放大区。
S15，在所述GaN/AlN超晶格倍增层生长一层p型GaN层，作为电场调节区。
具体的，在步骤S11中，所述的衬底可以为异质衬底，也可以为同质衬底；包括：蓝宝石、硅单晶、尖晶石、碳化硅、氧化锌等材质的衬底、硅上生长氧化铝复合衬底、硅上生长氮化铝复合衬底、硅上生长氧化锌复合衬底等异质衬底和GaN、AlN等同质衬底。
在步骤S12和S13中，所述的n型GaN低温缓冲层和n型GaN层的总厚度为1～3μm。
在步骤S14中，所述GaN/AlN超晶格倍增层的周期数≥1，其中势垒或势阱的宽度范围均为0～100nm。
在步骤S15中，所述p型GaN层厚度为10～50nm，为薄p型GaN层(薄p层)，作为电场调节层。
S2，制备窄禁带半导体吸收结构，其包括以下子步骤：
S21，选择合适的生长针对红外波段的窄禁带半导体材料的衬底。
S22，在衬底上生长一层i型窄禁带半导体层，作为吸收层。
S23，在i型窄禁带半导体层上沉积一层p型窄禁带半导体，或通过离子注入使所述i型窄禁带半导体层上表面形成p型层。
具体的，在步骤S21中所述的窄禁带半导体衬底可以为异质衬底，也可以为同质衬底。
在步骤S22中，所述的i型窄禁带半导体层的厚度为10nm～2μm。
在步骤S23中，所述的p型窄禁带半导体层的厚度为100nm～500nm。
S3，键合GaN/AlN超晶格倍增结构和窄禁带半导体吸收结构，其包括以下子步骤：
S31，剥离所述窄禁带半导体吸收结构的衬底，露出i型窄禁带半导体层表面。
S32，在所述GaN/AlN超晶格倍增结构的薄p型GaN层上沉积多个原子层的金属氧化物。
S33，将所述i型窄禁带半导体层与金属氧化物层加压贴合后，高温退火使其键合。
具体的，在步骤S31中，所述的剥离衬底方法包括但不限于物理抛磨减薄、湿法腐蚀技术，感应耦合等离子体(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等。
在步骤S32中，所述的金属氧化物沉积技术包括但不限于原子层沉积系统(ALD)、分子束外延技术(MBE)等。
在步骤S33中，所述的加压贴合技术包括但不限于夹片夹合等，退火温度为300℃～1000℃。
S4，形成电极和钝化层，其包括以下子步骤：
S41，使用刻蚀技术在所述键合后的器件结构表面刻蚀出台面。
S42，在所述p型窄禁带半导体层上沉积一层p电极，在n型GaN层上沉积一层n电极。
S43，在所述台面上沉积钝化层(图未示)。
具体的，在步骤S41中，所述的刻蚀技术包括但不限于感应耦合等离子体(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)、湿法刻蚀等，刻蚀深度为0～10μm，刻蚀伸入所述n型GaN层但并未刻蚀穿，请结合图1所示。
在步骤S42中，所述的p电极包括但不限于Ni/Au透明电极、ITO透明电极、ZnO透明电极等，所述n电极包括但不限于Ti/Al、Cr/Au等。
在步骤S43中，所述的生长钝化层方法包括但不限于等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)等，材料包括但不限于SixNy，SiO2等。
在本红外线性高增益雪崩探测器中，利用GaN/AlN超晶格结构中导带带阶大于价带带阶的优点，使电子离化系数远大于空穴，同时通过选择适合的窄禁带半导体吸收层材料，制作针对不同波段的红外雪崩探测器。
下面结合具体实例，进一步阐述本公开红外半导体雪崩探测器制备方法。
本实施红外半导体雪崩探测器具体为基于GaN/AlN周期性结构倍增层的和InSb吸收层的红外半导体雪崩探测器，其制备过程如下：
(1)选择(0001)面蓝宝石作为生长GaN材料的衬底。
(2)采用MOCVD方法，三甲基镓(TMGa)作镓源，高纯NH3作为氮源，硅烷作n型掺杂剂，在上述衬底上生长20nm的n型GaN低温缓冲层。
(3)在所述缓冲层上生长一层3μm的n型GaN层，掺杂浓度约为1019cm-3。
(4)在所述n型GaN层上生长20个周期的AlN(20nm)/GaN(10nm)的超晶格雪崩区。
(5)在所述AlN(20nm)/GaN(10nm)的超晶格雪崩区生长一层10nm的薄p型GaN层，掺杂浓度约为1019cm-3。
(6)选择(100)面GaAs作为分子束外延生长InSb材料的衬底。
(7)在GaAs衬底上采用分子束外延技术沉积一层500nm的i型InSb吸收层(即i型窄禁带半导体层)。其中，分子束外延中所使用的生长材料分别为In、Sb、Be，Be作为InSb材料的p型掺杂剂。
(8)在所述i型InSb吸收层上生长一层200nm的p型层，具体为p型窄禁带半导体层，材质为InSb，采用Be作为InSb材料的p型掺杂剂，掺杂浓度约为1018cm-3。
(9)使用物理抛磨的方法磨去所述GaAs衬底，露出i型InSb吸收层。
(10)使用原子层沉积技术在薄p型GaN层上沉积一层0.5nm的Al2O3金属氧化物。
(11)将i型InSb吸收层与薄p型GaN层加压贴合后，在退火炉中500℃退火，使之键合。
(12)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术在表面刻出台面。
(13)使用电子束蒸发(EB)技术在p型窄禁带半导体层上沉积一层Ni/Au电极，在n型GaN层沉积一层Cr/Au电极。
(14)使用PECVD技术在所述台面上沉积200nm的SiO2钝化层，由此完成本实例红外雪崩探测器的制备。
本公开的核心在于使用GaN/AlN超晶格材料作为雪崩探测器的雪崩倍增层，并使用与吸收波长相对应的窄禁带半导体作为其吸收层，并采用键合技术将两部分功能区键合起来，形成具有高增益线性模式下工作的红外雪崩探测器。
综上，本公开基于吸收区和倍增区分离的红外雪崩探测器结构，将GaN/AlN周期性材料为倍增区，大大提高了电子离化系数，从而提高电子空穴的离化系数比，实现了电子的单极离化，得到高增益、低过剩噪声的探测器。
此外，本公开将吸收区选择和红外波段相匹配的半导体吸收层材料，使其对红外波段的信号产生较高的响应度和量子效率，最后采用键合的方式将两个功能区合并，实现以窄禁带半导体作为吸收区而以GaN/AlN超晶格材料为倍增区的红外线性雪崩探测器。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于GaN/AlN周期性结构倍增层的红外半导体雪崩探测器及其制备方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
当然，根据实际需要，本公开方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。