Nitrueto de gálio (GaN), como material semicondutor de banda larga de terceira geração, possui excelentes características, como largura de banda larga (3,4eV), alto campo elétrico crítico de ruptura, alta velocidade de deriva de saturação de elétrons e forte resistência à radiação. Ele demonstrou amplas perspectivas de aplicação no campo da detecção de ultravioleta. Especialmente em áreas de ponta como astronomia ultravioleta, monitoramento ambiental e comunicação espacial, o fotodetector de GaN, assim como os fotodiodos de avalanche (APDs), pode alcançar alta detecção de sensibilidade em nível de fóton único. Independentemente da estrutura do dispositivo, a qualidade dos materiais epitaxiais – incluindo seleção de substrato, design da camada de tampão, distribuição de doping, controle de densidade de defeitos, etc. – determina diretamente o desempenho central do APD, como corrente escura, ganho, tensão de ruptura e confiabilidade.

1. Fundamentos Epitaxiais de APDs baseados em GaN

1.1 Seleção do Substrato

Substratos de GaN a granel são escassos e caros, então a maior parte da epitaxia GaN é realizada em substratos heterogêneos. Uma comparação dos substratos comuns e seus principais parâmetros é apresentada abaixo:

Os principais desafios com substratos heterogêneos são grandes desajustes de rede e térmicos, que precisam ser abordados por meio da tecnologia de camada tampão para liberar tensões e discordâncias de filtro. Por exemplo, cultivar GaN em substratos de silício normalmente utiliza uma camada de nucleação de AlN e uma camada tampão graduada de (Al,Ga)N; em substratos de safira, uma camada de nucleação de GaN ou AlN de baixa temperatura é frequentemente utilizada.

1.2 Design da Camada de Buffer

A camada tampão serve para bloquear a extensão de defeitos do substrato para a camada epitaxial e para gerenciar o estresse térmico. Hamdaoui et al. (2024) relataram uma estrutura de alta qualidade GaN-on-Si APD usando um tampão superlattice de aproximadamente 1,5μm de espessura (Al,Ga)N, combinado com uma camada de nucleação de AlN em alta temperatura, alcançando uma densidade de discordância de threading de cerca de 5×10⁸cm⁻². Para substratos de safira, um buffer de GaN de baixa temperatura seguido de uma camada de GaN de alta temperatura reduz ainda mais a densidade de discordâncias. Um design adequado da camada de tampão também pode ajustar o arqueamento da pastilha e melhorar a uniformidade em substratos de grande diâmetro.

1.3 Controle de Doping e Densidade de Defeitos

O controle de doping tipo N na epitaxia GaN normalmente utiliza silano (SiH₄), com concentrações de doping variando de 5×10¹⁵cm⁻³ (camada de deriva levemente dopada) até 5×10¹⁸cm⁻³ (camada de contato n⁺). A dopagem do tipo P utiliza bis(ciclopentadienil)magnésio (Cp₂Mg), mas devido à alta energia de ativação de Mg em GaN (aproximadamente 170meV), é necessário recozimento a alta temperatura para a ativação, e a concentração efetiva de doping geralmente é muito menor que a concentração estequiométrica. A densidade de defeitos, especialmente discordâncias de rosca, agrava a corrente de fuga reversa, reduz a tensão de ruptura e leva a falhas prematuras do dispositivo. Portanto, reduzir a densidade de defeitos é o objetivo central da otimização epitaxial.

2. Projeto de Estrutura Epitaxial GaN para Fotodiodos de Avalanche Ultravioleta

2.1 Fotodetector GaN p-i-n Epitaxia Estrutural

A estrutura mais fundamental para o fotodetector GaN é a estrutura p-i-n. A sequência típica de camadas epitaxiais é: em um substrato, cresce sucessivamente uma camada de contato n⁺-GaN, uma camada i-GaN levemente dopada ou não intencionalmente dopada (servindo tanto como região de absorção quanto de multiplicação) e uma camada p-GaN. Lei et al. relataram uma epitaxia APD baseada em safira com estrutura p-i-n operando em modo retroiluminado, onde a luz UV entra pelo lado da safira e a camada i-GaN atua como a principal região de absorção e multiplicação. Notavelmente, o coeficiente de ionização de impacto de lacunas em GaN é maior do que o dos elétrons, então a iluminação traseira (injeção de lacunas na região de multiplicação) reduz o ruído excessivo. Estudos relacionados mostram que uma estrutura n-i-p em substratos independentes de GaN reduz ainda mais a densidade de corrente escura para 1,5×10⁻⁵A/cm² e alcança um ganho de até 10⁵.

Para APDs de AlGaN que exigem características de cegueira solar, a epitaxia incorpora uma camada de absorção de AlGaN de alta composição de Al (por exemplo, Al₀.₄Ga₀.₆N) juntamente com uma camada de multiplicação de AlGaN de baixa composição de Al (por exemplo, Al₀.₂Ga₀.₈N). No entanto, devido à falta de substratos homoepitaxiais nativos, a epitaxia de AlGaN deve ser cultivada em substratos de safira ou AlN, resultando em alta densidade de defeitos. Ao inserir uma camada n-tipo graduada em degraus (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N), a densidade de corrente escura pode ser reduzida de 6,5×10⁻⁵A/cm² para menos de 1×10⁻⁷A/cm².

2.2 Epitaxia da Estrutura de Absorção e Multiplicação Separada de GaN (SAM)

A estrutura SAM alcança a engenharia de campo elétrico ao inserir uma camada de carga entre a camada de absorção e a camada de multiplicação, concentrando um campo elétrico alto na região de multiplicação e um campo elétrico baixo na região de absorção, reduzindo assim o ruído e aumentando o ganho. Uma estrutura típica de SPA em epitaxia de SAM de AlGaN inclui: camada de contato p-AlGaN / camada de multiplicação de AlGaN / camada de carga de AlGaN / camada de absorção de AlGaN / camada n-AlGaN / substrato. A camada de multiplicação utiliza uma composição de Al baixa (por exemplo, Al₀.₂Ga₀.₈N) para alcançar um alto coeficiente de ionização por impacto de buracos; a camada de absorção utiliza uma alta composição de Al (por exemplo, Al₀.₄Ga₀.₆N) para características de cegueira solar; A camada de carga controla precisamente a concentração e a espessura de doping para ajustar a distribuição do campo elétrico entre as duas camadas. Uma estrutura relatada na literatura emprega um design de duas camadas de multiplicação com composição de alumínio alta/baixa, reduzindo a tensão de ruptura de 116,3V para 96,9V. Além disso, inserir uma camada unidimensional de filtro de cristal fotônico na parte traseira da estrutura SAM aprimora ainda mais a capacidade de detecção de cegueira solar.

2.3 Projeto de Epitaxia Aprimorada por Polarização

Os fortes efeitos espontâneos e de polarização piezoelétrica em heterojunções III-nitreto podem ser aproveitados para potencializar o campo elétrico incorporado, reduzindo assim a tensão operacional dos APDs. Essa abordagem é conhecida como engenharia de polarização. Pesquisadores propuseram substituir a camada p-GaN em um APD p-i-n por p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N; a carga de polarização entre InGaN e GaN permite que a região de multiplicação alcance o campo elétrico crítico em uma polarização menor, reduzindo a tensão de ruptura em mais de 26V. Além disso, a introdução de uma camada altamente polar Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N na estrutura SAM produz um campo elétrico interno de 2,8 MV/cm e aumenta o ganho em 60%, para 7,2×10⁴. Essa engenharia de polarização oferece novas abordagens para o desenvolvimento de fotodetectores de GaN de baixa potência e alta sensibilidade.

3. Especificações de Epitaxia de Fotodetectores GaN Comerciais

Com base nos princípios de projeto epitaxial acima, a PWG oferece várias pastilhas comerciais de fotodetector de epitaxia GaN com estruturas personalizáveis, cobrindo diferentes substratos e requisitos de aplicação. Duas estruturas típicas de produto são apresentadas abaixo, correspondendo respectivamente aos APDs retroiluminados à base de safira e à detecção UV de baixo custo à base de silício.

1) Estrutura p-i-n retroiluminada à base de safira

2) Estrutura p-i-n baseada em silício

Nota: Espessura específica e valores de dopagem são personalizáveis.

Os produtos comerciais de epitaxia acima consideram plenamente os requisitos diferenciados de vários cenários de aplicação relacionados à espessura da camada epitaxial, concentração de doping e tipo de substrato (incluindo safira, SiC, silício e GaN). Os usuários podem selecionar produtos padrão adequados ou solicitar epitaxia personalizada (estrutura p-i-n, estrutura SAM, etc.) de acordo com a estrutura do dispositivo.

Referências:

1. Lei, Q., Li, L., Lu, W., Tao, J., Ling, R., Zhang, L., ... & Gao, F. (2025). Preparação e progresso da pesquisa de fotodetectores de avalanche baseados em GaN. Microestruturas, 5(4), N-A.

2. Hamdaoui, Y., Michler, S., Bidaud, A., Ziouche, K., & Medjdoub, F. (2024). Diodos de pino GaN totalmente verticais de 1200 V com capacidade de avalanche e alta corrente de estado de ligação acima de 10 A. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.