一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法技术

本发明专利技术提供一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，包括如下步骤：获取氮化镓雪崩探测器物理模型的参数，构建其数值模型；根据数值模型获取固定p电极偏压U

【技术实现步骤摘要】
一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法
本专利技术涉及半导体光电探测器
，具体地，涉及一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法。
技术介绍
氮化镓(GaN)雪崩探测器是一种新型紫外探测器，由于其极高的探测灵敏度获得了学术界与工业界的广泛关注。此外，氮化镓雪崩探测器还具有可见盲及日盲探测能力，该能力可以使探测系统摆脱不仅昂贵而且低效的光学滤波组件，从而极大提高了系统的集成度与可靠性。因此，氮化镓雪崩探测器在环境监测、火灾预警及天文观测等涉及国民经济的重要领域具有广阔的应用前景。光电倍增管是人类历史上最早出现的高灵敏紫外探测器，其增益可达106以上，但由于其具有体积庞大、易碎且需要高偏压工作环境等缺点严重制约了它的发展。上个世纪60年代首次提出的氮化镓雪崩探测器，通过高电场下载流子的碰撞电离作用，一举克服了光电倍增管的以上缺点，因此在应用推广上取得了长足进步。受氮化镓材料外延技术限制，早期大部分雪崩探测器设计为正照射模式。随着氮化镓材料质量的持续改进，氮化镓雪崩探测器的背照射模式逐步取代了正照射模式，这是因为背照射模式具有更高的空穴注入效率及具有更低的倍增噪声，此外增益均匀性、击穿电压稳定性及读出电路兼容性等关键性指标也属背照射模式的优越。氮化镓雪崩探测器可分为两种结构，一种是p-i-n三层结构(依次为p型层、吸收层(或倍增层)、n型层)；另一种是p-i-n-i-n五层结构(依次为p型层、倍增层、分离层、吸收层、n型层)。其中，第一种结构的吸收层与倍增层共用同一功能层，第二种结构的吸收层与倍增层通过中间的分离层实现分离。两种结构各有优劣，其中p-i-n三层结构与p-i-n-i-n五层结构相比具有表面平整度高与缺陷密度低的优点；p-i-n-i-n五层结构与p-i-n三层结构相比具有雪崩增益高与过剩噪声低的优点，他们在不同的场合可发挥各自的应用价值。n型层作为氮化镓雪崩探测器的关键功能层，其作用一方面是吸收短波区紫外辐射(波长λ<330nm)并消除该辐射对探测器的杂波干扰，另一方面是透过窗口区紫外辐射(波长330nm<λ<360nm)并为后续的辐射吸收、光生载流子的分离及倍增等过程创造条件。n型层的厚度可直接影响短波区紫外辐射的消除效果及窗口区紫外辐射的透过效果，从而影响探测器的关键指标光谱抑制比，而且n型层厚度也是探测器另一关键指标缺陷密度的强关联函数。因此，对n型层厚度开展优化工作对于氮化镓雪崩探测器的光谱性能提升具有重要作用。针对n型层厚度的优化，现有方法是选择不同n型层厚度的一系列氮化镓雪崩探测器直接进行流片，然后根据流片结果择优进行选用，时间和经济成本均较高。专利技术人前期的研究中，专利文献CN105633215A公开了一种优化阻挡杂质带探测器阻挡层厚度的方法，该方法通过考察阻挡层厚度对响应率及噪声的影响，确定了阻挡杂质带探测器的最佳阻挡层厚度，这是因为制约阻挡杂质带探测器性能的两个重要因素是响应率及噪声。与阻挡杂质带探测器不同，制约氮化镓雪崩探测器性能的主要因素是光谱抑制比及探测器缺陷密度，因此本专利技术首次提出的优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法是通过分析氮化镓雪崩探测器光谱抑制比及缺陷密度随n型层厚度变化的规律来确定最佳n型层厚度。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术目的在于提供一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法。本专利技术通过先设计模型，然后根据设计结果开展流片，由此大大节省了优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的时间。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，包括如下步骤：步骤A1：获取氮化镓雪崩探测器物理模型的参数，构建氮化镓雪崩探测器的数值模型；步骤A2：根据所述数值模型获取固定p电极偏压UF＝-88V下的光谱响应率RS随入射波长λ变化的曲线，所述光谱响应率RS随入射波长λ变化的曲线即为光谱响应率曲线；步骤A3：改变数值模型中的n型层厚度hn，获取对应的光谱响应率的一系列曲线；步骤A4：分别获取固定窗口区波长λ1＝350nm与固定短波区波长λ2＝300nm对应的光谱响应率RS随n型层厚度hn变化的曲线；步骤A5：获取拟合固定p电极偏压UF＝-88V下的光谱抑制比Rr随n型层厚度hn变化的曲线的函数式Rr(hn)；步骤A6：获取拟合探测器缺陷密度Dd随n型层厚度hn变化的曲线的函数式Dd(hn)；步骤A7：根据步骤A5和步骤A6所得函数式获取最佳n型层厚度。优选地，所述步骤A1具体包括以下步骤：步骤A1.1：构建氮化镓雪崩探测器的结构模型；步骤A1.2：根据氮化镓雪崩探测器的结构模型构建物理模型；所述物理模型为以下5个方程所得到的联立方程组：(1)泊松方程：(2)电子与空穴的连续性方程：(3)电子与空穴的电流密度方程：其中ε为介电常数，为ε关于空间的梯度，Ψ为静电势，为Ψ关于空间的梯度，代表与相乘，q为电子电量，n和p分别为电子和空穴浓度，为n关于时间的偏微分，为p关于时间的偏微分，ND+为电离施主浓度，NA-为电离受主浓度，G为载流子产生项，R为载流子复合项，分别为电子和空穴的电流密度，为关于空间的散度，为关于空间的散度，μn、μp分别为电子和空穴的迁移率，分别为电子和空穴的准费米势，为关于空间的梯度，为关于空间的梯度；所述的物理模型为：综合以上5个方程所得到的联立方程组，方程组中5个未知参量分别为静电势Ψ，电子和空穴的电流密度电子和空穴的准费米势方程组中其余参量为具有三维分布的已知量，可通过各结构层独立存在时的载流子迁移率及寿命、各结构层的掺杂浓度及厚度获得；步骤A1.3：获取氮化镓雪崩探测器的模型参数，构建氮化镓雪崩探测器的数值模型。优选地，结构模型包括结构模型A或结构模型B；所述结构模型A包括：蓝宝石衬底；n型层、吸收层(或倍增层)及p型层，n型层、吸收层(或倍增层)及p型层依次层叠在蓝宝石衬底上；接触孔，接触孔贯通p型层、吸收层(或倍增层)，并设置在n型层上；钝化层，钝化层包裹在n型层、吸收层(或倍增层)及p型层上；电极组，电极组设置在n型层及p型层上，分别与n型层及p型层连接；在p型层上形成p电极，在n型层上形成n电极；所述结构模型B包括：蓝宝石衬底；n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层，n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层依次层叠在蓝宝石衬底上；接触孔，接触孔贯通p型层、倍增层、分离层、吸收层，并设置在n型层上；钝化层，钝化层包裹在n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层上；电极组，电极组设置在p型层及n型层上，分别与p型层及n型层连接；在p型层上形成p电极，在n型层上形成n电极。优选地，结构模型A所对应的模型参数为模型参数A，包括：载流子迁移率及寿命、n型层掺杂浓度及厚度、吸收层或倍增层掺杂浓度及厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤A1：获取氮化镓雪崩探测器物理模型的参数，构建氮化镓雪崩探测器的数值模型；/n步骤A2：根据所述数值模型获取固定p电极偏压U

【技术特征摘要】
1.一种优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A1：获取氮化镓雪崩探测器物理模型的参数，构建氮化镓雪崩探测器的数值模型；
步骤A2：根据所述数值模型获取固定p电极偏压UF＝-88V下的光谱响应率RS随入射波长λ变化的曲线，所述光谱响应率RS随入射波长λ变化的曲线即为光谱响应率曲线；
步骤A3：改变数值模型中的n型层厚度hn，获取对应的光谱响应率的一系列曲线；
步骤A4：分别获取固定窗口区波长λ1＝350nm与固定短波区波长λ2＝300nm对应的光谱响应率RS随n型层厚度hn变化的曲线；
步骤A5：获取拟合固定p电极偏压UF＝-88V下的光谱抑制比Rr随n型层厚度hn变化的曲线的函数式Rr(hn)；
步骤A6：获取拟合探测器缺陷密度Dd随n型层厚度hn变化的曲线的函数式Dd(hn)；
步骤A7：根据步骤A5和步骤A6所得函数式的比值获取最佳n型层厚度。


2.根据权利要求1所述的优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，其特征在于，所述步骤A1具体包括以下步骤：
步骤A1.1：构建氮化镓雪崩探测器的结构模型；
步骤A1.2：根据氮化镓雪崩探测器的结构模型构建物理模型；所述物理模型为以下5个方程所得到的联立方程组：
(1)泊松方程：



(2)电子与空穴的连续性方程：






(3)电子与空穴的电流密度方程：






其中ε为介电常数，为ε关于空间的梯度，Ψ为静电势，为Ψ关于空间的梯度，代表与相乘，q为电子电量，n和p分别为电子和空穴浓度，为n关于时间的偏微分，为p关于时间的偏微分，ND+为电离施主浓度，NA-为电离受主浓度，G为载流子产生项，R为载流子复合项，分别为电子和空穴的电流密度，为关于空间的散度，为关于空间的散度，μn、μp分别为电子和空穴的迁移率，分别为电子和空穴的准费米势，为关于空间的梯度，为关于空间的梯度；
所述的物理模型为：综合以上5个方程所得到的联立方程组，方程组中5个未知参量分别为静电势Ψ，电子和空穴的电流密度电子和空穴的准费米势方程组中其余参量为具有三维分布的已知量，可通过各结构层独立存在时的载流子迁移率及寿命、各结构层的掺杂浓度及厚度获得；
步骤A1.3：获取氮化镓雪崩探测器的模型参数，构建氮化镓雪崩探测器的数值模型。


3.根据权利要求2所述的优化氮化镓雪崩探测器n型层厚度的方法，其特征在于，结构模型包括结构模型A或结构模型B；
所述结构模型A包括：
蓝宝石衬底；
n型层、吸收层(或倍增层)及p型层，n型层、吸收层(或倍增层)及p型层依次层叠在蓝宝石衬底上；
接触孔，接触孔贯通p型层、吸收层(或倍增层)，并设置在n型层上；
钝化层，钝化层包裹在n型层、吸收层(或倍增层)及p型层上；
电极组，电极组设置在n型层及p型层上，分别与n型层及p型层连接；在p型层上形成p电极，在n型层上形成n电极；
所述结构模型B包括：
蓝宝石衬底；
n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层，n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层依次层叠在蓝宝石衬底上；
接触孔，接触孔贯通p型层、倍增层、分离层、吸收层，并设置在n型层上；
钝化层，钝化层包裹在n型层、吸收层、分离层、倍增层及p型层上；
电极组，电极组设置在p型层及...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓东，陈雨璐，王兵兵，张传胜，童武林，胡永山，张晧星，张伟，陈栋，
申请(专利权)人：上海微波技术研究所中国电子科技集团公司第五十研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31