AlGaN异质结p-i-n型雪崩探测器

和浩田，李 兰，王璇伟，邵振广，于海林，冯金福，刘玉申

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

AlGaN异质结p-i-n型雪崩探测器

和浩田，李 兰，王璇伟，邵振广，于海林，冯金福，刘玉申

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

高增益AlGaN日盲雪崩探测器在国防安全与生命科学领域有重要的应用价值. 本文通过引入Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质结设计，将雪崩电压从79.3 V降低到73 V，雪崩增益从1.9×106提高到4.8×106. 通过数值模拟分析发现，异质界面极化电场与外加偏压方向一致，将高Al组分区域电场增强，从而降低了雪崩电压；虽然极化电场将低Al组分区域电场强度降低，但低Al组分区域离化系数大于高Al组分区域的离化系数约一个量级，空穴在高Al组分区域加速获得能量，在离化系数较高的低Al组分区域离化雪崩，提高了器件增益.

雪崩探测器；AlGaN；异质结

1 引言

AlGaN半导体材料的帯隙宽度可以从3.4~6.2 eV连续可调，涵盖了从365~200 nm的紫外波段，具有耐酸碱腐蚀、抗高温、抗辐射等特性，是制备紫外光电子器件不可替代的材料体系［1］. 太阳紫外辐射穿过地球大气层的过程中，240~280 nm波段的光被臭氧层完全吸收，导致地面附近不存在该波段的紫外信号，形成所谓的“日盲紫外”［2］. 这样可以利用日盲紫外波段的太阳辐射背景较弱的特点，对微弱的日盲紫外辐射信号进行高灵敏度探测. 高Al组份的AlGaN日盲紫外雪崩探测器可以省去昂贵的滤波片，并且相较于Si紫外探测器和光电倍增管，它还具有低的工作电压、低功耗、更小的尺寸、易于集成等优点. 这种日盲紫外雪崩光电探测器在军事和民用领域具有广泛的应用前景，例如在紫外预警、紫外侦察、紫外制导和紫外通讯等军事领域具有极其重要的应用；在电网安全监测、环境监测、锅炉燃烧过程控制、医疗紫外成像系统等民用领域都有重要的应用需求［3］.

2004年，土耳其的Ekmel Ozbay报道了p-i-n结构的AlGaN日盲探测器，在6 V偏压的条件下暗电流只有3 fA，在261 nm处的响应度达到了0.11 A/W［4］. 2005年，美国西北大学的R. McClintock研制出p-i-n结构背入射型AlGaN探测器，并且实现了成像功能［5］. 2006年，法国的Giovanni Mazzeo制备出240~280 nm范围的紫外日盲线性阵列成像器件，在4 V电压下暗电流达到1fA，器件响应度为12 mA/W［6］. 2008年，美国西北大学的C. Bayram，报道了背入射p-GaN/i-GaN/n-AlGaN和p-GaN/i-GaN/n-GaN/n-AlGaN两种器件结构，在n型层使用了能隙具宽的AlGaN材料，低偏压下352 nm处的外量子效率达到57%［7］. 2015年佐治亚理工大学的Jeomoh Kim报道了增益为105量级的p-i-n型AlGaN（Al=0.05）雪崩探测器，其中得益于采用GaN体材料作为衬底，并且采用了离化系数比较高的低Al组分材料作为雪崩层［8］. 2017年本课题组报道了增益为5.5×104SAM型AlGaN日盲雪崩探测器，器件采用了雪崩层异质结设计，使空穴在高电场下加速，高离化系数区域雪崩，这些关键指标参数目前在国际上均处于领先水平［9］.

由于高Al组分的AlGaN材料缺乏合适的衬底，其密度高达109g·cm-3；且由于AlGaN材料具有较高的Mg受主离化能，导致p型掺杂效率较低. 因此，采用普通的雪崩探测器结构和工艺难以制备出高性能的器件. 为了降低雪崩电压和提高AlGaN日盲雪崩探测器性能，本文采用异质结PIN型器件结构设计，来降低雪崩电压，提高离化系数.

2 结构和参数

图1 （a）传统结构AlGaN探测器；（b）异质结p-i-n型AlGaNAPD

我们采用PIN型雪崩层Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质结AlGaN APDs器件结构设计，而非传统结构PIN型AlGaN APDs均质层，如图1（a）所示. 器件结构的生长顺序是，在非故意掺杂的Al0.5Ga0.5N/AIN模板层上依次生长出300 nm的n型Al0.4Ga0.6N层，150 nm的I型Al0.4Ga0.6N层，80 nm的p型Al0.2Ga0.8N层；40 nm的p型GaN层. 非故意掺杂I型层的掺杂浓度为1×1016cm-3，N型掺杂浓度为1×1018cm-3，P-Al0.2Ga0.8N的掺杂浓度为6×1017cm-3，P-GaN掺杂浓度为1×1018cm-3. AlGaN异质结结构如图1（b）所示，它与传统结构的不同在于，I型层采用了Al0.2Ga0.8N/ Al0.4Ga0.6N异质结设计，提高了雪崩层的平均离化系数. 其中P型GaN层用于实现良好的P型欧姆接触，Ni/ Au电极在氧气氛围下退火12 min制备；N型电极采用Ti/Al/Ni/Au四种金属在氮气氛围下750 ℃快速退火30 s制备［9-10］.

3 结果与讨论

P-i-n型AlGaN APD暗、光电流和雪崩因子随着反向偏压的变化曲线如图2所示，图2（a）是传统结构APD，图2（b）是异质结构AlGaN APD. 图中1为光电流，2为暗电流，右边轴为器件的增益. APD器件中的暗电流包括表面和侧壁泄漏电流、，隧穿电流、，耗尽区域中的产生电流以及与缺陷相关复合电流等. 器件光电流的测量光源为290 nm的紫外光源，从背面照射，光强为3×10-4lm/W. 在50 V以下光电流要比暗电流大很多，并且变化非常平滑. 对于传统结构，当电压达到79.3 V时，发生雪崩击穿，暗电流和光电流都急剧上升，在雪崩点附近光电流大于暗电流约有两个数量级. 光电倍增因子定义为：发生雪崩时的光电流与发生雪崩时的暗电流的差，除以没有发生雪崩之前的光电流与暗电流之差. 没有发生雪崩的电流取50 V电流值. 当电压超过50 V，光电雪崩增益随电压呈指数变化. 当外加电压超过雪崩电压，器件工作在盖革式击穿模式，增益达到最大值1.9×106. :2（b）为异质结AlGaN APD，由于I型层Al的组分降低，提高了雪崩层电子和空穴的平均离化系数，器件在73 V发生雪崩，器件增益得到了提高，达到了4.8×106. 雪崩层Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质结设计降低了雪崩电压，提高了器件雪崩增益.

为了详细分析异质结对雪崩电压的影响，模拟分析了在不同电压下器件内部电场分布. 图3所示为0 V偏压下，传统结构和异质结构雪崩器件内部电场强度分布. 异质结高Al组分区域电场强度要明显高于传统结构中雪崩层电场强度，而低Al组分区域电场强度很微弱，基本趋近于0. 这是因为在Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质界面处，由于自发极化和压电极化的综合作用会在界面处产生负的极化电荷［11］，极化电场与外加电场方向一致，将高Al组分区域电场增强，同时低Al组分电场也被减弱.

图2 （a）传统结构AlGaN探测器（b）异质结构AlGaN探测器I-V特性曲线

图4为异质结与传统结构p-i-n型AlGaN APD在0 V、50 V和雪崩点情况下的电场强度的分布. 异质结 p-i-n型AlGaN APD在电场强度达到2.8 MV/cm时发生雪崩，而传统结构在3.0 MV/cm时发生雪崩. 这主要是Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N异质界面处极化电荷将高Al组分区域电场强度增强，而低Al组分区域电场强度被减弱. 同时由于低Al组分空穴离化系数要比高Al组分区域大一个量级［11］，空穴在高Al组分区域减速，在低Al组分区域进行离化雪崩，使雪崩电压降低的同时，提高了雪崩增益.

图3 异质结和传统结构AlGaN APDs 0 V偏压下电场强度分布

4 结论

基于p-i-n型AlGaN日盲雪崩探测器结构，通过在I型层引入异质结构Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N设 计，利用界面处产生的负极化电荷增强高Al组分区域电场强度，降低雪崩电压；同时低Al组分区域具有较高的离化系数，空穴在高Al组分区域减速，在低Al组分区域离化，最终异质结AlGaN日盲雪崩探测器在73 V偏压下发生雪崩，雪崩增益达到了4.8×106.

图4 异质结和传统结构p-i-n型AlGaN APD在0V，50V，雪崩点的电场分布

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Abstract:AlGaN solar-blind avalanche photodetectors could show potential applications in national defense safety and biological agent spectroscopy, because of the outstanding features such as lower operation voltages, lower power consumption, and a smaller device size. In particular, they could detect very weak solar blind light under intense background noise. Compared with conventional structure, the breakdown voltage of heterostructure AlGaN APDs can be reduced from 79.3 V to 73V, and the gain can be increased from1.9×106to 4.8×106, which is mainly attributed to the polarization charges in the Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N interface. The polarization electric field enhances the electric field in high Al content layer, reducing the breakdown voltage obviously. The ionization efficiency for the low Al content AlGaN region is larger by one magnitude than high Al content layer, so the holes accelerate in the high content region, and impact on low Al content layer. And the AlGaN Heterostructure avalanche photodetectors have low breakdown voltage and high gain.

Key words:avalanche photodetector; AlGaN; heterostructure

AlGaN Heterostructure Avalanche Photodetector

HE Haotian, LI Lan, WANG Xuanwei, SHAO Zhenguang, YU Hailin, FENG Jinfu, LIU Yushen
(School of Physics and Electronic Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

O437

A

1008-2794（2017）04-008-04

2017-04-28

国家自然科学基金应急管理项目“AlGaN日盲雪崩光电探测器的极化与离化工程协同调控研究”（61640407）

邵振广，讲师，研究方向：氮化物半导体物理与器件，E-mail：zgshao@cslg.edu.cn.