Galliumnitrid (GaN) besitzt als Halbleitermaterial der dritten Generation mit breiter Bandlücke ausgezeichnete Eigenschaften wie eine große Bandlücke (3,4 eV), ein elektrisches Feld mit hohem kritischem Durchbruch, eine hohe Geschwindigkeit der Elektronensättigung und eine starke Strahlungsresistenz. Es hat breite Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der UV-Erkennung gezeigt. Insbesondere in Spitzenbereichen wie Ultraviolettastronomie, Umweltüberwachung und Weltraumkommunikation kann der GaN-Photodetektor wie Lawinenphotodioden (APDs) eine hohe Empfindlichkeitserkennung auf Einzelphotonenebene erreichen. Unabhängig von der Bauelementstruktur bestimmt die Qualität der epitaxischen Materialien – einschließlich Substratauswahl, Pufferschichtdesign, Dopingverteilung, Fehlerdichtekontrolle usw. – direkt die Kernleistung der APD, wie Dunkelstrom, Verstärkung, Durchschlagsspannung und Zuverlässigkeit.

1. Epitaktische Grundlagen von GaN-basierten APDs

1.1 Substratauswahl

Bulk-GaN-Substrate sind selten und teuer, daher wird die meiste GaN-Epitaxie auf heterogenen Substraten durchgeführt. Ein Vergleich der gängigen Substrate und ihrer wichtigsten Parameter wird unten dargestellt:

Die Hauptprobleme bei heterogenen Substraten sind große Gitter- und thermische Mismatches, die durch Pufferschichttechnologie behoben werden müssen, um Spannungen und Filterversetzungen freizusetzen. Zum Beispiel verwendet das Anbauen von GaN auf Siliziumsubstraten typischerweise eine AlN-Nukleationsschicht und eine graduierte (Al,Ga)N-Pufferschicht; auf Saphirsubstraten wird häufig eine niedrigtemperaturartige GaN- oder AlN-Keimungsschicht verwendet.

1.2 Pufferschicht-Design

Die Pufferschicht dient dazu, die Ausbreitung von Substratdefekten in die epitaktische Schicht zu blockieren und thermische Belastungen zu steuern. Hamdaoui et al. (2024) berichteten über eine hochwertige GaN-auf-Si-APD-Struktur, die einen etwa 1,5 μm dicken (Al,Ga)N-Supergitterpuffer in Kombination mit einer Hochtemperatur-AlN-Nukleationsschicht verwendete und eine Fadenversetzungsdichte von etwa 5×10⁸cm⁻² erreichte. Für Saphirsubstrate reduziert ein niedrigtemperaturiger GaN-Puffer gefolgt von einer hochtemperaturartigen GaN-Schicht die Dislokationsdichte weiter. Ein richtiges Pufferschichtdesign kann auch die Wafer-Verwölbung anpassen und die Gleichmäßigkeit bei Substraten mit großem Durchmesser verbessern.

1.3 Dopingkontrolle und Defektdichte

Die N-Typ-Dopingkontrolle bei der GaN-Epitaxie verwendet typischerweise Silan (SiH₄), mit Dopingkonzentrationen von 5×10¹⁵cm⁻³ (leicht dotierte Driftschicht) bis 5×10¹⁸cm⁻³ (n⁺ Kontaktschicht). P-Typ-Doping verwendet Bis(Cyclopentadienyl)Magnesium (Cp₂Mg), aber aufgrund der hohen Aktivierungsenergie von Mg in GaN (etwa 170 meV) ist für die Aktivierung eine Hochtemperaturanglühung erforderlich, und die effektive Dopingkonzentration liegt in der Regel deutlich niedriger als die stöchiometrische Konzentration. Die Defektdichte, insbesondere Gewindeversetzungen, verschärft den Rückwärtsstrom, senkt die Durchbruchspannung und führt zu vorzeitigem Bauteilausfall. Daher ist die Reduzierung der Defektdichte das Kernziel der epitaxischen Optimierung.

2. GaN-Epitaxialstruktur-Design für ultraviolette Lawinen-Photodioden

2.1 GaN-Photodetektor p-i-n Strukturepitakie

Die grundlegendste Struktur des GaN-Photodetektors ist die p-i-n-Struktur. Die typische epitaktische Schichtsequenz ist: Auf einem Substrat wächst nacheinander eine n⁺-GaN-Kontaktschicht, eine leicht dotierte oder unbeabsichtigt dotierte i-GaN-Schicht (die sowohl als Absorptions- als auch als Vermehrungsregion dient) und eine p-GaN-Schicht. Lei et al. berichteten über eine saphirbasierte p-i-n-Struktur APD-Epitaxie, die im rückbeleuchteten Modus arbeitet, bei dem UV-Licht von der Saphirseite eintritt und die i-GaN-Schicht als Hauptabsorptions- und Multiplikationsregion fungiert. Bemerkenswert ist, dass der Ionisationskoeffizient des Lochaufpralls in GaN größer ist als der von Elektronen, sodass Backside-Beleuchtung (Lochinjektion in den Multiplikationsbereich) überschüssiges Rauschen reduziert. Verwandte Studien zeigen, dass eine n-i-p-Struktur auf freistehenden GaN-Substraten die Dunkelstromdichte weiter auf 1,5×10⁻⁻⁵A/cm² reduziert und einen Gewinn von bis zu 10⁵ erreicht.

Für AlGaN-APDs, die solarblinde Eigenschaften benötigen, enthält die Epitaxie eine AlGaN-Absorptionsschicht mit hoher Al-Komposition (z. B. Al₀.₄Ga₀.₆N) zusammen mit einer AlGaN-Multiplikationsschicht mit niedriger Al-Komposition (z. B. Al₀.₂Ga₀.₈N). Aufgrund des Fehlens nativer homoepitaxischer Substrate muss jedoch die AlGaN-Epitaxie auf Saphir- oder AlN-Substraten gezüchtet werden, was zu einer hohen Defektdichte führt. Durch das Einfügen einer schrittgraduierten n-Typ-Schicht (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N) kann die Dunkelstromdichte von 6,5×10⁻⁵A/cm² auf unter 1×10⁻⁻⁷A/cm² reduziert werden.

2.2 GaN Epitaxie der separaten Absorptions- und Multiplikationsstruktur (SAM)

Die SAM-Struktur erreicht elektrische Feldtechnik, indem eine Ladungsschicht zwischen Absorptionsschicht und Multiplikationsschicht eingefügt wird, wodurch ein hohes elektrisches Feld im Multiplikationsbereich und ein niedriges elektrisches Feld im Absorptionsbereich konzentriert wird, wodurch Rauschen reduziert und die Verstärkung erhöht wird. Eine typische APD-Epitaxie der AlGaN-SAM-Struktur umfasst: p-AlGaN-Kontaktschicht / AlGaN-Multiplikationsschicht / AlGaN-Ladungsschicht / AlGaN-Absorptionsschicht / n-AlGaN-Schicht / Substrat. Die Multiplikationsschicht verwendet eine niedrige Al-Zusammensetzung (z. B. Al₀.₂Ga₀.₈N), um einen hohen Ionisationskoeffizienten des Lochaufpralls zu erzielen; die Absorptionsschicht verwendet eine hohe Al-Zusammensetzung (z. B. Al₀.₄Ga₀.₆N) für solarblinde Eigenschaften; Die Ladungsschicht steuert die Dopingkonzentration und -dicke präzise, um die elektrische Feldverteilung zwischen den beiden Schichten anzupassen. Eine in der Literatur berichtete Struktur verwendet ein Dual-Multiplikationsschicht-Design mit hoher und niedriger Al-Zusammensetzung, wodurch die Durchschlagsspannung von 116,3 V auf 96,9 V gesenkt wird. Darüber hinaus verbessert das Einsetzen einer eindimensionalen photonischen Kristallfilterschicht auf der Rückseite der SAM-Struktur die solarblinde Erkennungsfähigkeit weiter.

2.3 Polarisationsverstärktes Epitaxie-Design

Die starken spontanen und piezoelektrischen Polarisationseffekte in III-Nitrid-Heterojunctions können genutzt werden, um das eingebaute elektrische Feld zu verstärken und so die Betriebsspannung von APDs zu senken. Dieser Ansatz ist als Polarisationsingenieurwesen bekannt. Forscher haben vorgeschlagen, die p-GaN-Schicht in einer p-i-n APD durch p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N zu ersetzen; die Polarisationsladung zwischen InGaN und GaN ermöglicht es dem Multiplikationsbereich, das kritische elektrische Feld mit einer geringeren Vorspannung zu erreichen, wodurch die Durchschlagsspannung um mehr als 26V reduziert wird. Außerdem erzeugt die Einführung einer hochpolaren Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N-Schicht in die SAM-Struktur ein internes elektrisches Feld von 2,8 MV/cm und erhöht die Verstärkung um 60 % auf 7,2×10⁴. Diese Polarisationstechnik bietet neue Ansätze zur Entwicklung leistungsschwacher, hochempfindlicher GaN-Photodetektoren.

3. Kommerzielle GaN-Photodetektor-Epitaxie-Spezifikationen

Basierend auf den oben genannten epitaxischen Designprinzipien bietet PWG verschiedene kommerzielle Epitaxie-GaN-Photodetektor-Wafer mit anpassbaren Strukturen an, die unterschiedliche Substrate und Anwendungsanforderungen abdecken. Im Folgenden werden zwei typische Produktstrukturen dargestellt, die jeweils saphirbasierten rückbeleuchteten APDs und siliziumbasierten, kostengünstigen UV-Detektionen entsprechen.

1) Saphirbasierte, rückbeleuchtete p-i-n-Struktur

2) Siliziumbasierte p-i-n-Struktur

Hinweis: Spezifische Dicke- und Dopingwerte sind anpassbar.

Die oben genannten kommerziellen Epitaxie-Produkte berücksichtigen vollständig die differenzierten Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien hinsichtlich Epitaxialschichtdicke, Dotierungskonzentration und Substrattyp (einschließlich Saphir, SiC, Silizium und GaN). Benutzer können geeignete Standardprodukte auswählen oder eine individuelle Epitaksie (p-i-n-Struktur, SAM-Struktur usw.) entsprechend ihrer Gerätestruktur anfordern.

Quellen:

1. Lei, Q., Li, L., Lu, W., Tao, J., Ling, R., Zhang, L., ... & Gao, F. (2025). Vorbereitung und Forschungsfortschritt von GaN-basierten Lawinenphotodetektoren. Mikrostrukturen, 5(4), N-A.

2. Hamdaoui, Y., Michler, S., Bidaud, A., Ziouche, K., & Medjdoub, F. (2024). 1200-V vollständig vertikale GaN-auf-Silizium-Pindioden mit Lawinenfähigkeit und hohem On-State-Strom über 10 A. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.