代志誠，谷 燕，張秀梅，陸乃彥，楊國鋒

（江南大學 理學院，江蘇 無錫214122）

1 引 言

AlGaN 基日盲紫外雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、增益高，無需冷卻，不受磁場影響，在強背景輻射下能探測微弱信號等特點［1-4］。目前，AlGaN APD 已經在紫外光通信，環(huán)境污染檢測，水凈化處理和海洋環(huán)境監(jiān)測等領域［5-6］成功取代常規(guī)的光電探測器。

Ⅲ族氮化物半導體材料相比其他材料體系存在更強的自發(fā)極化和壓電極化，可以在不施加任何外加條件下產生高達幾個MV/cm 的極化電場［7］，因此，可以利用極化效應的正效應來改善光電二極管的性能。國內一些研究者在常規(guī)的Al-GaN APDs 結構的基礎上，設計出一系列具有高增益但結構不同的背入射式p-i-n-i-n SAM 日盲AlGaN APDs。國外一些研究者設計出具有高增益的前入射式p-i-p-i-n SAM 日盲AlGaN APD［8-11］。強極化電場的存在降低了AlGaN APDs 工作時的電壓。高的工作電壓在增加器件暗電流的同時會產生更多的噪音，從而影響APD對微弱信號的檢測，并且過早擊穿的風險也會隨之增加［12-13］。極化效應對改善AlGaN APD 的光電性能具有重要的作用。

本文設計了一種具有低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層和高/低Al 組分AlGaN 倍增層的背入射式p-i-n-i-n 吸收倍增區(qū)分離（Seperate Absorption and Multiplication，SAM）特殊日盲紫外APD，并插入AlN/Al0.64Ga0.36N 分布式布拉格反射 器（Distributed Bragg Reflector，DBR）結 構 。高/低Al 組分的AlGaN 異質結構的設計能夠調控能帶的偏移，從價帶的偏移獲得額外的能量可以促進空穴的電離，同時在異質結處形成深的電位降俘獲住大量的電子從而抑制電子電離［14］。此外，對于AlGaN 合金材料，隨著Al 組分的降低，空穴的碰撞電離系數(shù)會明顯提高［15］。低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層的設計能夠改變倍增層中的極化電場方向，使得產生的極化電場方向與外加電場方向一致。同時，額外的電場能夠降低雪崩倍增擊穿時所需的外加電壓［16］。此外，低Al組分p 型漸變AlxGa1-xN 層有更高的摻雜效率，從而會降低器件的串聯(lián)電阻［17］。與常規(guī)的APD 相比，特殊設計的APD 表現(xiàn)出更高的雪崩倍增增益和低雪崩擊穿電壓。 同時，AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 結構的引入有效改善了AlGaN SAM APD的日盲響應特性。

2 結構與參數(shù)

圖1（b）是特殊設計的具有低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層和高/低Al 組分AlGaN 倍增層的背入射式p-i-n-i-n SAM 日盲紫外APD 結構示意圖。從圖中可以看出，該結構包括500 nm 的n 型Al0.5Ga0.5N 重摻雜層，180 nm 非故意摻雜的i-Al0.4Ga0.6N 吸 收 層 ，60 nm 的n 型Al0.4Ga0.6N 電 荷層，180 nm 非故意摻雜的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結構倍增層和90 nm 低Al 組分的p 型漸變組分AlxGa1-xN 層，該層的Al 組分從上到下由0 逐漸變化到0. 2。同時，在n 型Al0.5Ga0.5N 重摻雜層與藍寶石襯底之間插入AlN/Al0.64Ga0.36N DBR結構。由于低Al 組分Al0.2Ga0.8N 作為倍增層會破壞設計的AlGaN APD 的日盲響應特性，DBR結構的引入可以在使用低Al 組分Al0.2Ga0.8N 作為倍增層的同時改善APD 的日盲特性。同時，DBR 結構作為緩沖層還可以提高AlGaN 外延層的質量并減少由于位錯而產生的暗電流［18］。

圖1 AlGaN 日盲紫外APD 的結構示意圖Fig. 1 Schematic structure of AlGaN solar-blind APDs

圖1 （a）是常規(guī)的AlGaN p-i-n-i-n APD 的結構示意圖。作為參照，其結構和特殊設計的APD不同處是p-Al0.4Ga0.6N 層代替了低Al 組分的p 型漸變AlxGa1-xN 層，i-Al0.4Ga0.6N 同質結構倍增層替代高/低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結構倍增層，AlN 作為緩沖層代替了AlN/Al0.64Ga0.36N DBR。 兩 個APDs 的 尺 寸 都 是625 μm×1 μm，p 型 層 的 空 穴 摻 雜 濃 度 是1×1018cm-3，電荷層的電子摻雜濃度是2×1018cm-3，重摻雜層的摻雜濃度是2×1018cm-3，倍增層和吸收層的非故意摻雜濃度是1×1016cm-3。這里需要指出的是設計APD 的低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層可以減少串聯(lián)電阻并改變倍增層中低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 的極化電場方向，使得在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結構倍增層中產生比i-Al0.4Ga0.6N 同質結構更強的極化電場。

圖1（b）中放大部分是插入的AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 結構。該DBR 結構一共包括22 個周期性的AlN 和Al0.64Ga0.36N 層 。AlN 和Al0.64Ga0.36N 的折 射 率 系 數(shù) 分 別 設 計 為2. 13 和2. 50［19］，AlN 和Al0.64Ga0.36N 的厚度分別為35. 21 nm 和30 nm。本文采用Silvaco Atlas 器件仿真軟件進行器件的光電性能模擬。在模擬過程中，利用泊松方程和載流子連續(xù)性方程，并考慮了載流子濃度依賴的遷移率模型、場依賴的遷移率模型、間接復合（SRH 復合）模型、俄歇復合模型、表面復合和光產生復合模型。 此外，在計算擊穿電壓和增益時，還考慮了4 種類型的暗電流機制，包括擴散電流、產生-復合電流、帶間電流和陷阱輔助隧穿電流。

3 結果與討論

圖2 常規(guī)結構APD 和特殊設計APD 在無光照和276 nm 光照下的反向偏壓I-V 曲線Fig. 2 Reverse I-V characteristics of conventional and specially designed APDs in darkness and under illumination at 276 nm

圖2 是常規(guī)結構和特殊設計的APDs 分別在無光照和光照條件下的電流-電壓（I-V）曲線，入射光的波長和輻照度分別是276 nm 和5×105W/cm2。從圖中可以看出，當偏壓超過40 V 時，兩個APDs 的光電流和暗電流都出現(xiàn)明顯的增長趨勢。特別是暗電流，在偏壓高于40 V 時，暗電流值呈指數(shù)性增長，這些現(xiàn)象都表明空穴在偏壓40 V 時開始產生離化。當偏壓超過40 V 時，特殊設計APD 的暗電流值一直高于常規(guī)APD，這是由于特殊設計APD 的隧道效應比常規(guī)APD 更加顯著，從而產生更高的隧穿電流［20］。這也表明了特殊設計的APD 在相同條件下產生了更高的電場。通常雪崩倍增增益是指雪崩倍增后的光電流與暗電流的差值除以離化前的光電流與暗電流的差值［21］，雪崩倍增增益G 可以表示為：

其中：Ip，Id分別為倍增后的光電流和暗電流，Ip0，Id0分別為離化前的光電流和暗電流。通過圖2 的I-V 曲線可以發(fā)現(xiàn)，空穴離化是在偏壓40 V 時開始發(fā)生的，依此可以把0～40 V 偏壓間的平均電流作為離化前的電流。表1 是計算出的兩種APDs 的雪崩擊穿電壓和最大雪崩倍增增益。從表中可以看出，常規(guī)APD 的雪崩擊穿電壓是66. 4 V，最大雪崩倍增增益是5. 79×103，而具有低Al組分p 型漸變AlxGa1-xN 層和高/低Al 組分Al-GaN 倍增層的APD 的雪崩擊穿電壓是64. 8 V，最大雪崩倍增增益是6. 11×104。結果表明，特殊設計的APD 雪崩擊穿電壓相比于常規(guī)APD 雖然只降低了1. 6 V，但是其雪崩增益卻增加了一個數(shù)量級以上，雪崩擊穿電壓的下降主要是因為設計的APD 有更低的串聯(lián)電阻和更高的極化電場。雪崩增益提高的主要原因是倍增層中有更強的總電場和低Al 組分Al0.2Ga0.8N 倍增層具有更高的空穴電離系數(shù)。

表1 常規(guī)結構APD 和特殊設計APD 的雪崩擊穿電壓和最大雪崩倍增增益Tab. 1 Avalanche breakdown voltages and maximum multiplication gains for conventional and designed APDs

圖3 常規(guī)APD 和特殊設計的APD 在不同偏壓下的能帶圖Fig. 3 Energy band diagrams of conventional and specially designed APDs at different voltages

為了進一步研究常規(guī)APD 和特殊設計的APD 的光電性能差異，本文計算了兩種APDs 的能帶圖、電子濃度分布和電場分布。圖3（a）和3（b）分別是兩種APDs 在0 V 和20 V 偏壓下的能帶圖。從圖3（a）可以觀察到特殊設計的APD在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 區(qū)域的異質結處形成了更深的電位降，這可以把高Al組分i-Al0.4Ga0.6N倍增層中的大部分電子限制在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 的異質結處，而只允許少量電子進入低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 層。此外，因為電子會通過電荷運輸作用從n-Al0.4Ga0.6N 電荷層擴散到高Al 組分的i-Al0.4Ga0.6N 倍增層中，再進入到低Al組分的i-Al0.2Ga0.8N 倍增層中，所以i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增層異質結構的設計就可以形成雙重保障，阻止大部分電子進入低Al 組分的i-Al0.2Ga0.8N 層中。 因為特殊設計APD 的空穴雪崩倍增效應主要是發(fā)生在低Al 組分的i-Al0.2Ga0.8N 倍增層中，所以有利于減少電子電離引起的噪聲和提高空穴的碰撞電離。如圖3（a）所示，圓形標示處的能帶呈梯度狀，這主要是因為在i-Al0.4Ga0.6N 吸收層與n 型Al0.5Ga0.5N 重摻雜層的接觸面形成了梯度間隙結構，這種能帶結構可以消除異質結處的電荷積累［22］。從圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，在20 V 偏壓下，特殊設計的APD 在高Al 組分的i-Al0.4Ga0.6N 倍增層內的電位降比在0 V 偏壓下的更深，這樣有利于電荷的運輸，并便于更多的電子在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處聚集。

圖4（a）和4（b）分別是特殊設計的APD 和常規(guī)APD 在0V 偏壓下的電子濃度分布。從圖中可以看出，兩種APDs 在倍增層中都分布有少量的電子。但是，特殊設計的APD 在210 nm 對應高度處域聚集了大量的電子，這與上述分析的電子在特殊設計APD 的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處積累是一致的。從圖中可以看出，常規(guī)APD 倍增層中的電子濃度呈漸變式分布。同時，在i-Al0.4Ga0.6N/n-Al0.5Ga0.5N 異質結處沒有出現(xiàn)電子聚集的情況，這也進一步證明了i-Al0.4Ga0.6N/n-Al0.5Ga0.5N 異質結處形成了梯度間隙能帶結構。此外，大量的電子在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處聚集，這種現(xiàn)象引起的結果是特殊設計的A P D 與常規(guī)A P D 相比，在低A l 組分i-Al0.2Ga0.8N 倍增層中電子濃度梯度差比較大，然而在高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層的電子濃度梯度差要小得多；因此特殊設計的APD在低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 倍增層中的內建電場比常規(guī)APD 高，但是在高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層的內建電場則小于常規(guī)APD。圖4（c）和4（d）分別是特殊設計的APD 和常規(guī)APD 在雪崩擊穿電壓下的電子濃度分布。從圖中可以看到，特殊設計的APD 在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處有大量電子的積累，而在低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N倍增層內和高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層內只分布有少量的電子，而且該APD 倍增層中分布的電子濃度少于常規(guī)APD 倍增層中的電子濃度。因此可以證明特殊設計的APD 倍增層中空穴會發(fā)生更大幾率的雪崩倍增離化，而由電子雪崩倍增離化產生的噪音會顯著降低，其電學性能會得到明顯改善。

圖4 （a）特殊設計的APD 和（b）常規(guī)APD 在0 V 偏壓下的電子濃度分布；（c）特殊設計的APD 和（d）常規(guī)APD 在雪崩擊穿電壓下的電子濃度分布Fig. 4 Electron concentration distributions of（a）specially designed and （b）conventional APDs at 0 V；Electron concentration distributions of（c）specially designed and（d）conventional APDs at avalanche breakdown voltage

圖5 常規(guī)APD 和特殊設計的APD 在（a）0 V 和（b）雪崩擊穿電壓下的電場分布Fig. 5 Electric field distributions of conventional and specially designed APDs under（a）0 V and（b）avalanche breakdown voltages

圖5 （a）和5（b）分別展示了兩種APDs 在0 V和雪崩擊穿電壓下的電場分布，圖5（a）中的插圖是特殊設計APD 的高/低Al 組分AlGaN 倍增層中極化電場的結構示意圖。由于自發(fā)極化和壓電極化，在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處形成 了 負 電 荷- σ0。 在 沒 有 低Al 組 分p 型 漸 變AlxGa1-xN 層的情況下，在低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N倍增層中產生了與外加電場方向相反的極化電場Ep1，在高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層中產生了與外加電場方向相同的極化電場Ep2。所以，在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增層中產生了與外加電場方向相反的極化電場Ee（Ee=Ep1-Ep2），此時APD 的雪崩擊穿電壓會增大，同時暗電流也會增大，電子雪崩倍增離化產生的噪音也會隨之增加，所以器件性能會降低。而應用低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層后，在p-Al0.2Ga0.8N（p-Al0.2Ga0.8N 層的厚度遠遠小于i-Al0.2Ga0.8N 層的厚度）的上表面形成負電荷-σ1（σ1＞σ0），所以在低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 倍 增 層 中 和 高Al 組 分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層中分別產生了與外加電場方向相同的極化電場Ep1和Ep2，從而在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增層中產生了與外加電場方向相同的極化電場Ee（Ee=Ep1+Ep2），因此，低Al 組分p 型漸變Alx-Ga1-xN 層的設計能夠改變i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 倍增層中極化電場的方向。從圖5（a）中可以觀察到，特殊設計的APD 在低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 倍增層中的電場強度比常規(guī)APD 高，但是在高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層中的電場強度是低于常規(guī)APD，這一電場分布規(guī)律證明了上述推斷。此外，在特殊設計APD 的i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結處產生很高的電場強度，能夠阻止電子從高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層進入低Al 組分i-Al0.2Ga0.8N 倍增層內。由圖5（b）可知：在雪崩擊穿電壓下，特殊設計的APD 與常規(guī)APD 相 比 ，在 低Al 組 分i-Al0.2Ga0.8N 倍 增 層 內 的電場略高，但是在高Al 組分i-Al0.4Ga0.6N 倍增層內的電場較低，但是在i-Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N異質結構倍增層內的總電場是高于在i-Al0.4Ga0.6N 同質結構倍增層里的總電場。另外，低Al組分Al0.2Ga0.8N 材料比高Al組分Al0.4Ga0.6N材料具有更高的空穴電離系數(shù)［15］，因此，特殊設計的APD 比常規(guī)的APD 具有更低的雪崩擊穿電壓和顯著提高的雪崩倍增增益。

圖6（a）是采用Comsol 軟件計算的特殊設計APD 中插入AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 結構的反射光譜。在模擬中，所有的仿真結果都是基于有限元分析（Finite Element Model，F(xiàn)EM），并建立頻域折射率模型，設置模擬區(qū)域周圍的吸收邊界為完美電導體。從圖中可以看到，DBR 的波長在280～320 nm 間的反射率高達99. 9%，高反射區(qū)內的波長恰好對應Al0.2Ga0.8N 合金的帶隙能量。圖6（b）顯示的是特殊設計APD 在有DBR 和沒有DBR 結構在10 V 偏壓下的光譜響應。從圖中可以看出，沒有插入DBR 結構的APD 光譜響應截止波長是324 nm，而具有DBR 結構的APD 光譜響應截止波長出現(xiàn)在290 nm 處，這表明AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 結構的引入有效地改善了本文所設計的AlGaN APD 的日盲響應特性。

圖6 （a）DBR 結構的反射光譜；（b）偏置電壓為10 V 時特殊設計APD 在有DBR 和沒有DBR 情況下的光譜響應Fig. 6 （a） Reflectivity spectrum of DBR structure；（b）Spectral responsivities of specially designed APDs with and without DBR at reverse bias of 10 V

4 結 論

本文基于常規(guī)APD 的基礎結構，設計了具有低Al 組分p 型漸變AlxGa1-xN 層和高/低Al 組分AlGaN 倍增層的背入射式p-i-n-i-n SAM Al-GaN 日盲紫外APD。為了改善APD 的日盲響應特性，插入22 個周期的III 族氮化物AlN/Al0.64Ga0.36N DBR 結構。 AlN/Al0.64Ga0.36N DBR結構在280～320 nm 間的反射率高達99. 9%，且APD 的光譜響應截止波長在290 nm。低Al 組分p 型 漸 變 組 分AlxGa1-xN 層 和 低/高Al 組 分Al0.2Ga0.8N/Al0.4Ga0.6N 異質結構倍增層的設計，使得APD 倍增層具有更高的空穴電離系數(shù)和極化電場。研究結果表明，該特殊設計的APD 的擊穿電壓是64. 8 V，最大雪崩倍增增益高達6. 11×104，相比于常規(guī)結構的APD，其雪崩增益提高了一個數(shù)量級，為接下來特殊設計APD 的實驗制備提供了理論依據。