Нитрид галлия (GaN), как полупроводник третьего поколения с широким зазором, обладает отличными характеристиками, такими как большая ширина запрещённой зоны (3,4 эВ), высокое критическое электрическое поле с пробоем, высокая скорость дрейфа насыщения электронами и высокая радиационная устойчивость. Он показал широкие перспективы применения в области обнаружения ультрафиолетового излучения. Особенно в передовых областях, таких как ультрафиолетовая астрономия, экологический мониторинг и космическая связь, фотодетектор GaN, как и лавинные фотодиоды (APD), может достигать высокой чувствительности обнаружения на уровне одного фотона. Независимо от конструкции устройства, качество эпитаксиальных материалов — включая выбор подложки, проектирование буферного слоя, распределение легирования, контроль плотности дефектов и т. д. — напрямую определяет работу ядра APD, такие как тёмный ток, усиление, напряжение пробоя и надёжность.

1. Эпитаксиальные основы APD на основе GaN

1.1 Выбор субстрата

Объёмные субстраты GaN редки и дорогие, поэтому большая часть эпитаксии GaN проводится на гетерогенных субстратах. Ниже приведено сравнение распространённых субстратов и их ключевых параметров:

Основные проблемы с гетерогенными субстратами — это большие несоответствия решётки и тепловые несоответствия, которые необходимо решать с помощью буферных слоёв для снятия напряжений и дислокаций фильтра. Например, выращивание GaN на кремниевых подложках обычно использует слой нуклеации AlN и градуированный (Al,Ga)N буферный слой; на сапфировых субстратах часто используется низкотемпературный слой нуклеации GaN или AlN.

1.2 Проектирование буферного слоя

Буферный слой служит для блокировки протяжения дефектов подложки в эпитаксиальный слой и управления тепловым напряжением. Hamdaoui и др. (2024) сообщили о высококачественной структуре APD GaN-on-Si, использующей буферную суперрешётку толщиной примерно 1,5 мкм (Al,Ga)N, в сочетании с высокотемпературным слоем нуклеации AlN, что дало плотность резьбовой дислокации около 5×10⁸см⁻². Для сапфировых субстратов низкотемпературный буфер GaN, за которым следует слой высокотемпературного GaN, дополнительно снижает плотность дислокации. Правильное проектирование буферного слоя также может корректировать изгиб пластин и улучшить равномерность на подложках большого диаметра.

1.3 Контроль легирования и плотность дефектов

Контроль легирования типа N-типа в эпитаксии GaN обычно использует силан (SiH₄), концентрация легирования варьируется от 5×10¹⁵см⁻³ (слабо легированный дрейфовый слой) до 5×10¹⁸см⁻³ (контактный слой n⁺). P-тип легирования использует бис(циклопентадиенил)магний (Cp₂Mg), но из-за высокой энергии активации Mg в GaN (примерно 170 мэВ) для активации требуется высокотемпературное отжиг, а эффективная концентрация легирования обычно значительно ниже стехиометрической концентрации. Плотность дефектов, особенно дислокации резьбы, усугубляет ток обратной утечки, снижает напряжение пробоя и приводит к преждевременному поломке устройства. Таким образом, снижение плотности дефектов является основной целью эпитаксиальной оптимизации.

2. Проектирование эпитаксиальной структуры GaN для ультрафиолетовых лавинных фотодиодов

2.1 Эпитаксия структуры фотодетектора GaN p-i-n

Самой фундаментальной структурой фотодетектора GaN является структура p-i-n. Типичная последовательность эпитаксиальных слоёв такова: на субстрате последовательно растёт контактный слой n⁺-GaN, слегка легированный или случайно легированный слой i-GaN (служивший как областью поглощения, так и умножения), а также слой p-GaN. Лей и соавт. сообщили о сапфировой структуре P-I-N APD-эпитаксии, работающей в режиме обратного освещения, где ультрафиолетовый свет поступает с сапфировой стороны, а слой i-GaN служит основной областью поглощения и умножения. Примечательно, что коэффициент ионизации отверстия в GaN выше, чем у электронов, поэтому обратное освещение (впрыск дыр в область умножения) снижает избыточный шум. Связанные исследования показывают, что структура n-i-p на свободно стоящих GaN-подложках дополнительно снижает плотность темного тока до 1,5×10⁻⁵A/см² и достигает усиления до 10⁵.

Для APD AlGaN, требующих солнечно-слеповатых характеристик, эпитаксия включает в себя слой поглощения AlGaN с высоким содержанием AlGaN (например, Al₀.₄Ga₀.₆N) вместе с низко-Al-составным слоем умножения AlGaN (например, Al₀.₂Ga₀.₈N). Однако из-за отсутствия натуральных гомоэпитаксиальных субстратов эпитаксию AlGaN приходится выращивать на сапфировых или AlN-субстратах, что приводит к высокой плотности дефектов. Вставив ступенчатый слой n-типа (n-GaN → n-Al₀.₀₀₂Ga₀.₉₈N), плотность темного тока может быть снижена с 6,5×10⁻⁵A/см² до менее 1×10⁻⁷A/см².

2.2 Эпитаксия структуры отдельного поглощения и умножения (SAM) GaN

Структура SAM достигает инженерии электрического поля, вставляя слой заряда между слоями поглощения и слоем умножения, концентрируя высокое электрическое поле в области умножения и низкое электрическое поле в области поглощения, тем самым снижая шум и увеличивая усиление. Типичная эпитаксия APD структуры AlGaN SAM включает: контактный слой p-AlGaN / слой умножения AlGaN / слой заряда AlGaN / поглощающий слой AlGaN / n-AlGaN слой / субстрат. Умножительный слой использует низкий состав Al (например, Al₀.₂Ga₀.₈N) для достижения высокого коэффициента ионизации удара отверстием; поглощающий слой использует высокоэнергетический состав (например, Al₀.₄Ga₀.₆N) для солнечно-слепых характеристик; Слой заряда точно контролирует концентрацию и толщину легирования, чтобы адаптировать распределение электрического поля между двумя слоями. Структура, описанная в литературе, использует двухслойный слой умножения с высоким и низким количеством Al, снижая напряжение пробоя с 116,3 В до 96,9 В. Кроме того, установка одномерного фотонного кристаллического фильтра на обратной стороне структуры SAM дополнительно расширяет возможности обнаружения солнечной слепой камеры.

2.3 Дизайн эпитаксии с усилением поляризации

Сильные спонтанные и пьезоэлектрические поляризационные эффекты в гетеропереходах III-нитридов могут быть использованы для усиления встроенного электрического поля, тем самым снижая рабочее напряжение APD. Этот подход известен как инженерия поляризации. Исследователи предложили заменить слой p-GaN в p-i-n APD на p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N; поляризационный заряд между InGaN и GaN позволяет области умножения достигать критического электрического поля при более низком смещении, снижая напряжение пробоя более чем на 26 В. Кроме того, введение высокополярного слоя Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N в структуру SAM даёт внутреннее электрическое поле 2,8 МВ/см и увеличивает усиление на 60% до 7,2×10⁴. Такая поляризационная инженерия открывает новые подходы к разработке маломощных, высокочувствительных фотодетекторов GaN.

3. Технические характеристики эпитаксии коммерческого фотодетектора GaN

Основываясь на вышеуказанных принципах эпитаксиального проектирования, PWG предлагает различные коммерческие фотодетекторные пластины GaN для эпитаксии с настраиваемыми структурами, охватывающими различные подложки и требования к применению. Ниже представлены две типичные структуры продукта: сапфировые APD с подсветкой и недорогое УФ-обнаружение на кремниевой основе.

1) Сапфировая подсвечиваемая p-i-n структура

2) Кремниевая p-i-n структура

Примечание: Конкретные толщины и значения легирования можно настраивать.

Вышеуказанные коммерческие продукты эпитаксии полностью учитывают дифференцированные требования различных сценариев применения относительно толщины эпитаксиального слоя, концентрации легирования и типа подложки (включая сапфир, SiC, кремний и GaN). Пользователи могут выбрать подходящие стандартные продукты или запросить индивидуальную эпитаксию (структура p-i-n, структура SAM и т.д.) в соответствии со структурой устройства.

Ссылки:

1. Лэй, К., Ли, Л., Лу, В., Тао, Дж., Лин, Р., Чжан, Л., ... и Гао, Ф. (2025). Подготовка и прогресс исследований лавинных фотодетекторов на основе GaN. Микроструктуры, 5(4), N-A.

2. Хамдауи, Й., Михлер, С., Бидо, А., Зиуш, К., и Медждуб, Ф. (2024). 1200 В полностью вертикальные диоды GaN на кремнии с лавинной возможностью и высоким текущим током выше 10 А. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.