深紫外Al0.6Ga0.4N p-i-n雪崩光电二极管的击穿特性

美国乔治亚理工学院的研究人员通过金属有机化学气相沉积在AlN块状基板和两种不同质量的AlN/蓝宝石模板上设计和生长顶照式深紫外Al0.6Ga0.4N p-i-n雪崩光电二极管（APD）结构，制作并测试了APD。相关研究发表在《Journal of Applied Physics》上。

雪崩光电二极管 (APD) 是一种利用碰撞电离过程的半导体探测器。碰撞电离能够将来自吸收非常低强度光的电流放大，这种低强度光可能是多个光子甚至单个光子。用于紫外 (UV) APD 的一种材料系统是氮化铝镓 (AlxGa1−xN)，它具有 3.4 至 6.2 eV 的可调直接带隙能量，并且当 AlN 摩尔分数 x 为 0.45 或更大时，AlGaN 光电探测器能够在日盲光谱范围内工作 (λ < 280 nm)。对于 x > 0.6 的 AlxGa1−xN 光电探测器，预测 AlxGa1−xN 材料的空穴电离系数 β 到电子电离系数 α, keff = β/α 将从低于 x = 0.5 的 AlxGa1−xN 的 keff > 1 变为高于 x = 0.6 的 keff < 1，降低了多余的噪声因子 F(M)。然而，AlGaN 光电探测器大都形成在外来衬底上，例如，它们存在一些缺点，例如由于 AlN/蓝宝石和 AlGaN 的晶格失配导致的大位错密度/蓝宝石模板，以及当在 AlN/蓝宝石模板上生长时 x < 0.6 时晶格失配引起的缺陷形成，由于 Mg 受体的低激活效率导致的低 p 型 Mg 掺杂浓度，以及由于晶格参数不匹配导致的材料开裂和热膨胀离子系数。对于 x = 0.4–0.45 的 GaN 和 AlxGa1-xN APDs 的性质有很多先前的报道。然而，之前的所有相关报告都没有显示出I–V特性的独特反向偏置雪崩击穿行为以及击穿电压的温度依赖性，因此，很难分析反向I–V数据中真实“雪崩”电流和“隧道电流”的相对贡献。

图1，（a） 在AlN模板和AlN块体衬底上生长和制造的AlGaN APD的横截面示意图，以及（b）直径为20μm的AlGaN APD俯视图的显微图像。

这里，研究人员设计了一种 Al0.6Ga0.4N DUV p-i-n APD 结构，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在AlN体基板和具有不同结晶质量的AlN模板上生长，并制作成具有圆形台面检测区域的器件。这些器件表现出独特的雪崩击穿行为，击穿电压约为 -140 V，与在 AlN 模板上生长的器件相比，-40 V 偏置下在 AlN 体基板上生长的 APD的低泄漏电流密度 <10−8A/cm2。在同一器件上，在 250 nm 处实现了 1.22 × 104 的最大（限流）增益和大约 -145 V 的反向偏置，这相当于估计的 6-6.2 MV/cm 的击穿场。在零偏压下，光谱响应在 250 nm 波长处为 71.45 mA/W。计算出 1.2 × 104 的最大增益（电流限制）。此外，对于由 AlN 体基板和 AlN 模板制造的 APD 器件，击穿电压的平均温度系数为负，但观察到随着衬底位错密度的降低，温度系数增加。这种效应可能是由于雪崩和隧道效应与反向偏压光电流贡献之间的权衡。

与 Si APD 相比，将 III-N 材料用于紫外光电探测器的优点是辐射硬度、1高紫外量子效率和高速响应。这种深紫外 (DUV) APD 的一些可能应用是导弹探测、化学和生物探测以及紫外火焰监测。