El nitruro de galio (GaN), como material semiconductor de banda prohibida de tercera generación, presenta excelentes características como un gran ancho de banda (3,4 eV), un alto campo eléctrico crítico de ruptura, alta velocidad de deriva de saturación electrónica y una fuerte resistencia a la radiación. Ha demostrado amplias perspectivas de aplicación en el campo de la detección ultravioleta. Especialmente en campos de vanguardia como la astronomía ultravioleta, la monitorización ambiental y la comunicación espacial, el fotodetector de GaN, al igual que los fotodiodos de avalancha (APD), puede lograr una detección de alta sensibilidad a nivel de fotón único. Independientemente de la estructura del dispositivo, la calidad de los materiales epitaxiales —incluyendo la selección del sustrato, el diseño de la capa de tampón, la distribución de dopaje, el control de densidad de defectos, etc.— determina directamente el rendimiento central del APD, como corriente oscura, ganancia, tensión de ruptura y fiabilidad.

1. Fundamentos epitaxiales de los APDs basados en GaN

1.1 Selección de sustratos

Los sustratos de GaN a granel son escasos y caros, por lo que la mayoría de la epitaxia de GaN se realiza sobre sustratos heterogéneos. A continuación se presenta una comparación de los sustratos comunes y sus parámetros clave:

Los principales desafíos con sustratos heterogéneos son grandes desajustes en red y térmicos, que deben abordarse mediante tecnología de capa tampón para liberar tensiones y dislocaciones de filtro. Por ejemplo, cultivar GaN sobre sustratos de silicio suele emplear una capa de nucleación de AlN y una capa tampón graduada de (Al,Ga)N; en los sustratos de zafiro, a menudo se utiliza una capa de nucleación de GaN o AlN a baja temperatura.

1.2 Diseño de capas de búfer

La capa de tampón sirve para bloquear la extensión de defectos del sustrato hacia la capa epitaxial y para gestionar el esfuerzo térmico. Hamdaoui et al. (2024) informaron de una estructura de alta calidad de GaN-on-Si APD utilizando un tampón de superred (Al,Ga)N de aproximadamente 1,5 μm de grosor combinado con una capa de nucleación de AlN a alta temperatura, logrando una densidad de dislocaciones de hilo de aproximadamente 5×10⁸cm⁻². Para sustratos de zafiro, un tampón de GaN a baja temperatura seguido de una capa de GaN a alta temperatura reduce aún más la densidad de dislocaciones. Un diseño adecuado de la capa de tampón también puede ajustar el arqueado de las obleas y mejorar la uniformidad en sustratos de gran diámetro.

1.3 Control de dopaje y densidad de defectos

El control de dopaje tipo N en la epitaxia GaN suele utilizar silano (SiH₄), con concentraciones de dopaje que van desde 5×10¹⁵cm⁻³ (capa de deriva ligeramente dopada) hasta 5×10¹⁸cm⁻³ (capa de contacto n⁺). El dopaje tipo P emplea bis(ciclopentadienil)magnesio (Cp₂Mg), pero debido a la alta energía de activación de Mg en GaN (aproximadamente 170 meV), se requiere un recocido a alta temperatura para la activación, y la concentración efectiva de dopaje suele ser mucho menor que la concentración estequiométrica. La densidad de defectos, especialmente las dislocaciones de rosca, agrava la corriente de fuga inversa, reduce el voltaje de ruptura y conduce a una avería prematura del dispositivo. Por lo tanto, reducir la densidad de defectos es el objetivo central de la optimización epitaxial.

2. Diseño de estructura epitaxial GaN para fotodiodos de avalancha ultravioleta

2.1 Fotodetector GaN p-i-n Epitaxia de estructura

La estructura más fundamental para el fotodetector GaN es la estructura p-i-n. La secuencia típica de capas epitaxiales es: sobre un sustrato, crece sucesivamente una capa de contacto n⁺-GaN, una capa i-GaN ligeramente dopada o dopada accidentalmente (que sirve tanto como región de absorción como de multiplicación), y una capa p-GaN. Lei et al. informaron de una epitaxia APD basada en zafiros con estructura p-i-n que opera en modo retroiluminado, donde la luz UV entra desde el lado zafiro y la capa i-GaN actúa como la principal región de absorción y multiplicación. Cabe destacar que el coeficiente de ionización por impacto de huecos en GaN es mayor que el de los electrones, por lo que la iluminación trasera (inyección de huecos en la región de multiplicación) reduce el exceso de ruido. Estudios relacionados muestran que una estructura n-i-p sobre sustratos independientes de GaN reduce aún más la densidad de corriente oscura a 1,5×10⁻⁵A/cm² y logra una ganancia de hasta 10⁵.

Para los APD de AlGaN que requieren características de ciega solar, la epitaxia incorpora una capa de absorción de AlGaN de alta composición Al (por ejemplo, Al₀.₄Ga₀.₆N) junto con una capa de multiplicación de AlGaN de baja composición Al (por ejemplo, Al₀.₂Ga₀.₈N). Sin embargo, debido a la falta de sustratos homoepitaxiales nativos, la epitaxia de AlGaN debe cultivarse sobre sustratos de zafiro o AlN, lo que resulta en una alta densidad de defectos. Insertando una capa de tipo n graduada escalonada (n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N), la densidad de corriente oscura puede reducirse de 6,5×10⁻⁵A/cm² a menos de 1×10⁻⁷A/cm².

2.2 Epitaxia de la estructura de absorción y multiplicación separada de GaN (SAM)

La estructura SAM logra la ingeniería del campo eléctrico insertando una capa de carga entre la capa de absorción y la capa de multiplicación, concentrando un campo eléctrico alto en la región de multiplicación y un campo eléctrico bajo en la región de absorción, reduciendo así el ruido y aumentando la ganancia. Una epitaxia típica de la estructura de SAM de AlGaN en la APD incluye: capa de contacto p-AlGaN / capa de multiplicación de AlGaN / capa de carga de AlGaN / capa de absorción de AlGaN / capa n-AlGaN / sustrato. La capa de multiplicación utiliza una composición baja de Al (por ejemplo, Al₀.₂Ga₀.₈N) para lograr un alto coeficiente de ionización por impacto de huecos; la capa de absorción utiliza una alta composición de Al (por ejemplo, Al₀.₄Ga₀.₆N) para características de ceguera solar; La capa de carga controla con precisión la concentración y el grosor del dopaje para ajustar la distribución del campo eléctrico entre ambas capas. Una estructura reportada en la literatura emplea un diseño de doble capa de multiplicación con composición de Al alta/baja, reduciendo el voltaje de ruptura de 116,3V a 96,9V. Además, insertar una capa de filtro de cristal fotónico unidimensional en la parte trasera de la estructura SAM mejora aún más la capacidad de detección de ceguera solar.

2.3 Diseño de epitaxia mejorada por polarización

Los fuertes efectos de polarización espontánea y piezoeléctrica en heterojuncciones de III-nitruro pueden aprovecharse para potenciar el campo eléctrico incorporado, reduciendo así el voltaje de funcionamiento de los APD. Este enfoque se conoce como ingeniería de polarización. Los investigadores han propuesto reemplazar la capa p-GaN en un APD p-i-n por p-In₀.₀₅Ga₀.₉₅N; la carga de polarización entre InGaN y GaN permite que la región de multiplicación alcance el campo eléctrico crítico a una polarización inferior, reduciendo el voltaje de ruptura en más de 26V. Además, introducir una capa altamente polar de Sc₀.₀₅Ga₀.₉₅N en la estructura SAM produce un campo eléctrico interno de 2,8 MV/cm y aumenta la ganancia en un 60% hasta 7,2×10⁴. Esta ingeniería de polarización proporciona nuevos enfoques para desarrollar fotodetectores de GaN de baja potencia y alta sensibilidad.

3. Especificaciones de epitaxia de fotodetectores GaN comerciales

Basándose en los principios de diseño epitaxial mencionados, PWG ofrece diversas obleas comerciales de fotodetectores de epitaxia GaN con estructuras personalizables, cubriendo diferentes sustratos y requisitos de aplicación. A continuación se presentan dos estructuras típicas de producto, correspondientes respectivamente a los APDs retroiluminados basados en zafiros y la detección UV de bajo coste a base de silicio.

1) Estructura p-i-n retroiluminada basada en zafiro

2) Estructura p-i-n basada en silicio

Nota: Los valores específicos de grosor y dopaje son personalizables.

Los productos comerciales de epitaxia mencionados anteriormente consideran plenamente los requisitos diferenciados de diversos escenarios de aplicación respecto al grosor de la capa epitaxial, la concentración de dopaje y el tipo de sustrato (incluyendo zafiro, SiC, silicio y GaN). Los usuarios pueden seleccionar productos estándar adecuados o solicitar epitaxia personalizada (estructura p-i-n, estructura SAM, etc.) según la estructura de su dispositivo.

Referencias:

1. Lei, Q., Li, L., Lu, W., Tao, J., Ling, R., Zhang, L., ... & Gao, F. (2025). Preparación y progreso de la investigación de fotodetectores de avalanchas basados en GaN. Microestructuras, 5(4), N-A.

2. Hamdaoui, Y., Michler, S., Bidaud, A., Ziouche, K., & Medjdoub, F. (2024). Diodos de pines GaN totalmente verticales de 1200 V con capacidad de avalancha y alta corriente de encendido por encima de 10 A. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343.