《炬丰科技-半导体工艺》硅上的单片紫外 LED 光电探测器

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：硅上的单片紫外 LED 光电探测器
编号：JFKJ-21-1150
作者：华林科纳

首次展示单片集成紫外灯(紫外线)发光二极管和可视百叶窗,基于在硅上生长的相同III族氮化物宽带隙外延结构的紫外光电探测器(PDs)。片上光学互连和紧凑型光隔离器应用的机会，以及可见光盲光通信、生化检测和环境监测。使用金属有机化学气相沉积法在6英寸(111)硅上生长铝镓氮化物材料，这种结构类似于高电子迁移率晶体管的结构。这种形式能够在最终的光电探测器中实现低暗电流测量。

图1 单片集成的LED和光电探测器示意图
光电探测器以类似光电晶体管的方式工作，在一对欧姆接触之间有一个6 mx100 m的p-GaN“光门”(见图1)。30米x100米的发光二极管产生的光子来自p-GaN阳极提供的空穴和在AlGaN/GaN界面附近形成的二维电子气体(2DEG)中的电子的复合。在我们的集成系统中，LED空间分离的“光门”对光电探测器“通道”中电流的调制是通过LED和光电探测器之间的二氧化硅、氮化镓和氮化镓中的紫外光传输来实现的。

制作顺序为:发光二极管阳极和光电探测器栅极的p-GaN构图；用于发光二极管阴极和光电探测器AlGaN接触的钛/铝/镍/金欧姆接触沉积；用氟离子注入进行器件隔离；用50纳米等离子体增强化学气相沉积二氧化硅进行钝化；发光二极管上透明镍/金欧姆接触沉积和退火p-GaN阳极；以及厚镍/金接触垫沉积。

在5V偏压下，光电探测器显示出3.9x 10–7Ma/mm的低暗电流和0.43mA/mm的光电流，来自商用发光二极管的0.024mW/cm2功率的紫外光~365nm波长。将1.1x106的光暗电流比描述为“极好”。低暗电流归因于AlGaN/GaN界面处的2DEG耗尽，导致p-GaN层下的高电阻率沟道，尽管施加了5V偏置。”紫外线照明在栅极下形成一个导电的2DEG通道。光电探测器的“超高”响应度为3.5x105A/W。

这些特性使光电探测器能够“对来自芯片上小尺寸发光二极管光源的信号进行高灵敏度的光检测，即使输出功率相对较低”。发光二极管在处具有高导通电压约4.65伏，由于横向存取区，正向偏压下的电流注入在约10V的高偏压下趋于饱和。10V下注入的电流为267A/cm2。
发光二极管的光谱峰值约为360纳米波长，半峰全宽(FWHM)为7纳米。光电探测器的光谱响应截止波长超过400纳米，提高了可见光盲应用的前景。

在某种意义上，发光二极管-光电探测器组合以类似晶体管的方式工作，发光二极管偏置为栅极电位，光电探测器电流为沟道(图2)。

图2

图2在5V偏压下光电探测器的光电流(半对数和线性标度)与发光二极管偏压的关系。(b)在变化的发光二极管偏压下，光电探测器光电流与光电探测器上电压降的关系。耦合效率(局部放电/发光二极管电流比)为0.0225V光电探测器偏置，与1.1x 10–6的报道硅光耦合器相比非常有利，约1x 10–4对于基于GaN的集成器件，大约4x 10–3对于基于AlGaN的集成器件。在使用硅金属氧化物半导体场效应晶体管向发光二极管注入电流的电路中测试了发光二极管-局部放电系统的“频率响应”。对方波信号的响应上升和下降时间分别为0.41秒和0.36秒。
由于光电探测器的阻容延迟估计在100ns左右，主要的延迟因素似乎是“持续的”AlGaN/GaN异质结构中的光电导效应”。努力优化p-GaN蚀刻步骤和钝化，以消除陷阱效应，提高响应速度。还提出给光电探测器的p-GaN栅极增加偏置可能是另一种更快响应的途径。

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