Nitruro di gallio (GaN), come materiale semiconduttore di banda larga di terza generazione, presenta eccellenti caratteristiche come una larga larghezza di banda (3,4eV), un alto campo elettrico di rottura critica, un'elevata velocità di deriva di saturazione elettronica e una forte resistenza alle radiazioni. Ha mostrato ampie prospettive di applicazione nel campo della rilevazione ultravioletta. Soprattutto in campi all'avanguardia come l'astronomia ultravioletta, il monitoraggio ambientale e la comunicazione spaziale, il fotorivelatore GaN, come i fotodiodi a valanga (APD), può ottenere una rilevazione ad alta sensibilità a livello di singolo fotone. Indipendentemente dalla struttura del dispositivo, la qualità dei materiali epitassiali - inclusa la selezione del substrato, la progettazione dello strato tamponamento, la distribuzione del doping, il controllo della densità dei difetti, ecc. - determina direttamente le prestazioni del core dell'APD, come corrente scura, guadagno, tensione di rottura e affidabilità.

1. Fondamenti epitassiali degli APD basati su GaN

1.1 Selezione del substrato

I substrati di GaN in massa sono scarsi e costosi, quindi la maggior parte dell'epitassia GaN viene eseguita su substrati eterogenei. Un confronto tra i substrati comuni e i loro parametri chiave è presentato di seguito:

Le principali sfide con i substrati eterogenei sono grandi disadattamenti di reticolo e termici, che devono essere affrontati con la tecnologia dello strato tampone per rilasciare stress e dislocazioni di filtro. Ad esempio, la coltivazione di GaN su substrati di silicio tipicamente impiega uno strato di nucleazione AlN e uno strato tampone gradato (Al,Ga)N; sui substrati zaffiro, spesso si utilizza uno strato di nucleazione GaN o AlN a bassa temperatura.

1.2 Progettazione dello strato buffer

Lo strato tampone serve a bloccare l'estensione dei difetti del substrato nello strato epitassiale e a gestire lo stress termico. Hamdaoui et al. (2024) hanno riportato una struttura APD GaN-on-Si di alta qualità utilizzando un buffer superreticolo (Al,Ga)N spesso circa 1,5μm combinato con uno strato di nucleazione AlN ad alta temperatura, ottenendo una densità di dislocazioni di threading di circa 5×10⁸cm⁻². Per i substrati zaffiro, un buffer di GaN a bassa temperatura seguito da uno strato di GaN ad alta temperatura riduce ulteriormente la densità di dislocazioni. Un adeguato design dello strato buffer può anche regolare l'incurvatura dei wafer e migliorare l'uniformità su substrati di grande diametro.

1.3 Controllo del Doping e Densità dei Difetti

Il controllo del doping di tipo N nell'epitassia GaN utilizza tipicamente silane (SiH₄), con concentrazioni di doping che vanno da 5×10¹⁵cm⁻³ (strato di deriva leggermente dopato) a 5×10¹⁸cm⁻³ (strato di contatto n⁺). Il dopaggio di tipo P impiega bis(ciclopentadienil)magnesio (Cp₂Mg), ma a causa dell'elevata energia di attivazione di Mg nel GaN (circa 170 meV), è necessario un ricottura ad alta temperatura per l'attivazione, e la concentrazione effettiva di doping è solitamente molto inferiore a quella stechiometrica. La densità di difetti, in particolare le dislocazioni di filettatura, aggrava la corrente di fuga inversa, riduce la tensione di rottura e porta a guasti prematuri del dispositivo. Pertanto, ridurre la densità di difetti è l'obiettivo centrale dell'ottimizzazione epitassiale.

2. Progettazione della struttura epitasiale GaN per fotodiodi a valanga ultravioletta

2.1 Fotorivelatore GaN p-i-n Epitassia della struttura

La struttura più fondamentale per il fotorivelatore GaN è la struttura p-i-n. La tipica sequenza di strato epitassiale è: su un substrato, si sviluppa successivamente uno strato di contatto n⁺-GaN, uno strato i-GaN leggermente doppato o involontariamente dopado (che funge sia da regione di assorbimento che da moltiplicazione), e uno strato p-GaN. Lei et al. hanno riportato un'epitassia APD con struttura p-i-n basata su zaffiro che opera in modalità retroilluminata, dove la luce UV entra dal lato zaffiro e lo strato i-GaN funge da principale regione di assorbimento e moltiplicazione. In particolare, il coefficiente di ionizzazione dell'impatto dei vuoti in GaN è maggiore di quello degli elettroni, quindi l'illuminazione posteriore (iniezione di lacune nella regione di moltiplicazione) riduce il rumore in eccesso. Studi correlati mostrano che una struttura n-i-p su substrati di GaN autoportanti riduce ulteriormente la densità di corrente scura a 1,5×10⁻⁵A/cm² e raggiunge un guadagno fino a 10⁵.

Per gli APD di AlGaN che richiedono caratteristiche di cieca solare, l'epitassia incorpora uno strato di assorbimento di AlGaN ad alta composizione Al (ad esempio, Al₀.₄Ga₀.₆N) insieme a uno strato di moltiplicazione AlGaN a bassa composizione Al (ad esempio, Al₀.₂Ga₀.₈N). Tuttavia, a causa della mancanza di substrati omepitassiali nativi, l'epitassia di AlGaN deve essere coltivata su substrati di zaffiro o AlN, con un'elevata densità di difetti. Inserendo uno strato di tipo n gradato a gradazione (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N), la densità di corrente oscura può essere ridotta da 6,5×10⁻⁵A/cm² a meno di 1×10⁻⁷A/cm².

2.2 Epitassia strutturale di assorbimento e moltiplicazione separata GaN (SAM)

La struttura SAM raggiunge l'ingegneria del campo elettrico inserendo uno strato di carica tra lo strato di assorbimento e quello di moltiplicazione, concentrando un campo elettrico elevato nella regione di moltiplicazione e un basso campo elettrico nella regione di assorbimento, riducendo così il rumore e aumentando il guadagno. Una tipica struttura di AlGaN nell'epitassia APD include: strato di contatto p-AlGaN / strato di moltiplicazione AlGaN / strato di carica AlGaN / strato di assorbimento AlGaN / strato n-AlGaN / substrato. Lo strato di moltiplicazione utilizza una composizione Al bassa (ad esempio, Al₀.₂Ga₀.₈N) per ottenere un alto coefficiente di ionizzazione per impatto del buco; lo strato di assorbimento utilizza una composizione di Al elevata (ad esempio, Al₀.₄Ga₀.₆N) per le caratteristiche di cieca solare; Lo strato di carica controlla con precisione la concentrazione e lo spessore del doping per adattare la distribuzione del campo elettrico tra i due strati. Una struttura riportata in letteratura impiega un design a doppio strato di moltiplicazione con composizione Al alta/bassa, abbassando la tensione di rottura da 116,3V a 96,9V. Inoltre, l'inserimento di uno strato di filtro a cristalli fotonici unidimensionali sul retro della struttura SAM migliora ulteriormente la capacità di rilevamento della cieteca solare.

2.3 Progettazione dell'epitassia potenziata dalla polarizzazione

I forti effetti di polarizzazione spontanea e piezoelettrica nelle eterogiunzioni III-nitruro possono essere sfruttati per potenziare il campo elettrico incorporato, riducendo così la tensione operativa degli APD. Questo approccio è noto come ingegneria della polarizzazione. I ricercatori hanno proposto di sostituire lo strato p-GaN in un APD p-i-n con p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N; la carica di polarizzazione tra InGaN e GaN permette alla regione di moltiplicazione di raggiungere il campo elettrico critico a una polarizzazione inferiore, riducendo la tensione di rottura di oltre 26V. Inoltre, introdurre uno strato altamente polare Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N nella struttura SAM produce un campo elettrico interno di 2,8 MV/cm e aumenta il guadagno del 60% fino a 7,2×10⁴. Tale ingegneria della polarizzazione offre nuovi approcci per sviluppare fotorivelatori GaN a bassa potenza e alta sensibilità.

3. Specifiche di epitassia dei fotorivelatori GaN commerciali

Basandosi sui principi di progettazione epitassiale sopra indicati, PWG offre vari wafer fotorivelatori GaN a epitassia commerciale con strutture personalizzabili, coprendo diversi substrati e requisiti applicabili. Di seguito sono presentate due strutture di prodotto tipiche, corrispondenti rispettivamente agli APD retroilluminati basati su zaffiro e al rilevamento UV a basso costo a base di silicio.

1) Struttura p-i-n retroilluminata basata in zaffiro

2) Struttura p-i-n a base di silicio

Nota: Spessore specifico e valori di doping sono personalizzabili.

I prodotti commerciali di epitassia sopra elencati considerano pienamente i requisiti differenziati di vari scenari applicabili riguardanti lo spessore dello strato epitassivo, la concentrazione di doping e il tipo di substrato (inclusi zaffiro, SiC, silicio e GaN). Gli utenti possono selezionare prodotti standard adatti o richiedere epitassi personalizzate (struttura p-i-n, struttura SAM, ecc.) in base alla struttura del dispositivo.

Riferimenti:

1. Lei, Q., Li, L., Lu, W., Tao, J., Ling, R., Zhang, L., ... & Gao, F. (2025). Preparazione e progresso della ricerca dei fotorivelatori di valanghe basati su GaN. Microstrutture, 5(4), N-A.

2. Hamdaoui, Y., Michler, S., Bidaud, A., Ziouche, K., & Medjdoub, F. (2024). Diodi a pin GaN-on-silicon completamente verticali 1200-V con capacità di valanga e alta corrente on-state sopra i 10 A. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.