GaN肖特基紫外探測(cè)器分析

陳守迎+張聰+湯德勇

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，GaN基紫外材料在社會(huì)生產(chǎn)已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的充分發(fā)展，被認(rèn)為是和發(fā)光二極管、激光器具有同樣作用的一種器材。基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的GaN紫外探測(cè)器由于具有探測(cè)波長(zhǎng)可調(diào)控性、工藝兼容性好、構(gòu)造種類(lèi)比較繁多等特點(diǎn)，現(xiàn)階段它已經(jīng)成為了同行界廣泛研究的一個(gè)對(duì)象。GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器因?yàn)槠渚哂泻芎玫南鄳?yīng)性能與很快的反應(yīng)速度所以受到業(yè)界人士的如此青睞。筆者以肖特基結(jié)構(gòu)探測(cè)器的不足之處作為著手點(diǎn)，研究并分析了這種新型的GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器。

關(guān)鍵詞GaN；肖特基結(jié)構(gòu)；紫外探測(cè)器；AlGaN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0009-02

現(xiàn)階段，GaN紫外光探測(cè)器被認(rèn)為是和藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器具有同樣作用的一種器具。早在20世紀(jì)末期，US就規(guī)定在寬禁帶半導(dǎo)體的生產(chǎn)目標(biāo)，凡是壽命在1000 h的紫外光探測(cè)器和壽命為1000 h的藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光紫光激光器都將成為GaN材料的主要研究對(duì)象。全球范圍內(nèi)已經(jīng)有很多個(gè)不同的國(guó)家對(duì)這種GaN紫外探測(cè)儀進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)形式的探究和研制，如光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)、p-n結(jié)構(gòu)、p-i-n、p-π-n結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)、MSM結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。在上面這些不同類(lèi)型的探測(cè)儀當(dāng)中，肖特基結(jié)構(gòu)由于具有勢(shì)壘高度高、回避p型等特征，成為業(yè)界最常使用的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，不過(guò)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用實(shí)踐我們也可以看到它有一個(gè)明顯的不足之處：很容易受到一些狀態(tài)的影響，筆者對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的分析，詳細(xì)情況如下。

1結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1AlGaN肖特基型紫外探測(cè)器

圖1是GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖。20世紀(jì)末期的時(shí)候，就有專(zhuān)門(mén)的研究者對(duì)GaN的光電導(dǎo)性能展開(kāi)了探究。在接下來(lái)的時(shí)間里，對(duì)于GaN基光電子器具的研究長(zhǎng)時(shí)間受到下面兩個(gè)問(wèn)題的困擾而不能順利進(jìn)行下去：缺乏優(yōu)質(zhì)的單晶襯底材料（藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配度很高）；找不到合適的措施對(duì)GaN完成p型摻雜這項(xiàng)工作。這項(xiàng)工作進(jìn)行的步驟如下：用低壓（1.013×104 Pa）MOCVD方法在藍(lán)寶石（0001）襯底上生長(zhǎng)六方相GaN，其他的幾種材料分別是三甲基鎵（TMGa）、氮源為高純氨氣（NH3）以及載氣為氫氣（H2）。在具體的研制過(guò)程中，用來(lái)對(duì)各種材料器件進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)APPS來(lái)自US的一所大學(xué)，通過(guò)這個(gè)軟件來(lái)完成模擬計(jì)算工作，通過(guò)這個(gè)工具我們可以完成對(duì)光伏特性的研究。在具體的測(cè)算過(guò)程中，主要的探究對(duì)象是AlGaN（在這里我們先假設(shè)Al組分約為15.1%）窗口層的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)器具產(chǎn)生一定的作用。第一步我們要在550.1℃生長(zhǎng)一個(gè)低溫GaN緩沖層（buffer），厚度大概是20.1 nm，接下來(lái)我們要在1100.1℃生長(zhǎng)高摻雜n型GaN外延層，厚度大概是1.1 μm，混合濃度為5.1×1018 cm-3；接著生長(zhǎng)本征GaN外延層，厚度約為0.6 μm，電子濃度為1×10 cm-3。

在對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)儀的暗電流以及C-V特征進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候我們使用的是HP4280檢測(cè)儀。通過(guò)該項(xiàng)檢測(cè)工作，最后我們可以得到該類(lèi)型的紫外探測(cè)儀能夠產(chǎn)生的光響應(yīng)曲線(xiàn)的類(lèi)型。在具體的測(cè)試工作中我們使用到的光源為75 W的氙燈，它發(fā)出的光通過(guò)折射，返回進(jìn)入單色器具，然后又反射到器具上。探測(cè)器串聯(lián)一個(gè)2 kΩ負(fù)載電阻，與電源形成一個(gè)回路，在它的作用之下獲取光電流信號(hào)，然后通過(guò)Si紫外探測(cè)儀來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確定，從而得到GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)。使用的時(shí)間的長(zhǎng)短是檢測(cè)體系光源使用過(guò)程中325.1 nm的He-Cd激光器，在對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。光線(xiàn)會(huì)照射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備接2 kΩ負(fù)載電阻，示波設(shè)備與負(fù)載電阻設(shè)備遵循并聯(lián)的連接形式，從示波設(shè)備能夠看到探測(cè)設(shè)備的光信號(hào)波狀，從中可以獲得該紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)所需的時(shí)間的長(zhǎng)短。

2模擬計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 新結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)器件的性能比較

一般情況下，一些比較普通的肖特基結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)設(shè)備中，表面態(tài)所引起的表面復(fù)合容易引起設(shè)備量子性能的變小，我們對(duì)不同的復(fù)合性能的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們之間在性能上的卻別。如圖2（a）、（b）所示，分別表示的是表面復(fù)合速度為1.1×107 cm/s，1.1×1010 cm/s時(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、一般的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，GaN紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)光譜，在這種情況下，n型AlGaN層的薄厚是20.1 nm、載流子為1.1×1016 cm-3的濃度都可以看得出來(lái)，當(dāng)表面復(fù)合速率為1.1×105 cm/s的情況下，不管是什么類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)備它的量子性能之間的區(qū)別性都沒(méi)有太大的顯現(xiàn)，同時(shí)其量子性能會(huì)隨隨著其波射的長(zhǎng)度變化發(fā)生細(xì)微的變化，響應(yīng)光譜很平；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×107 cm/s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了無(wú)論在長(zhǎng)波、短波，新結(jié)構(gòu)的量子效率都高于普通結(jié)構(gòu)，但是兩者的響應(yīng)光譜在短波處都有所下降；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×105 cm/s時(shí)，新的結(jié)構(gòu)體系與普通的結(jié)構(gòu)體系之間具有很大的區(qū)別性，新結(jié)構(gòu)器件的量子效率明顯高于普通結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，涉及到的范圍值為331.1 nm到361.1 nm，該種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)在于量子性能要比一般的性能好得多。

圖2

2.2 對(duì)該紫外探測(cè)器的暗電流和C-V特性的測(cè)試

根據(jù)上圖顯示的檢測(cè)體系，測(cè)量得到該紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)，這種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)體系使用的光源是75 W的氙燈，它所發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)器調(diào)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)折調(diào)節(jié)以后射入單色設(shè)備，接著又反射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備連接著2 kΩ負(fù)載電阻，和與電源共同形成一個(gè)回路系統(tǒng)，通過(guò)負(fù)載電阻取得的光電流信號(hào)，在通過(guò)Si紫外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)的明確以后，我們可以獲得GaN肖特基體系紫外探測(cè)設(shè)備的光響應(yīng)曲線(xiàn)。響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)體系會(huì)讓光源為325.1 nm的He-Cd激光設(shè)備，該設(shè)備產(chǎn)生的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)斬波設(shè)備調(diào)節(jié)以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。

2.3 時(shí)間響應(yīng)依賴(lài)于肖特基接觸面積、材料的摻雜和遷移率

在響應(yīng)性能方面肖特基二極管具備一定的平滑性，適于寬帶光電探測(cè)器，響應(yīng)效率的最大值要受到半透明頂部接觸的光反射狀態(tài)的限制。最初研制出來(lái)的肖特基GaN光電探測(cè)設(shè)備使用的是Ti/GaN二極管，通過(guò)這一點(diǎn)我們可以看到主要的限制范圍僅僅為20，而其具體的響應(yīng)性能為130.1 mA/W，有專(zhuān)門(mén)的研究人員采用的是5nmPd在n型GaN上制成肖特基二極管，響應(yīng)性能為180.1 mA/w，在RC電路的限制之下，反向偏壓為-1.35 V時(shí)，等效噪聲功率為4.0nw；E.Monroy等人。使用MOCVD該項(xiàng)工具的時(shí)候在藍(lán)寶石襯底上制備Au、Ni及半透明性質(zhì)的Si：AIGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備，最后的檢測(cè)結(jié)果顯示響應(yīng)性能和設(shè)備尺寸與肖特基金屬不存在任何關(guān)系，AlGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)性能在零偏壓的情況下是29.4 mA/W，通常情況下為14.1 ns，具有相同作用的噪聲性能為41.5nw。為了研制快速反應(yīng)設(shè)備，可在未摻雜的頂層用肖特基接觸，在重?fù)诫s的底層用歐姆接觸發(fā)展垂直結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論

在研制藍(lán)光紫光和紫外光大功率短波長(zhǎng)耐高溫設(shè)備這一項(xiàng)上，GaN材料已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步，GaN紫外探測(cè)設(shè)備現(xiàn)階段仍然處在研究過(guò)程中，這對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)365.1 nm的可見(jiàn)光和紅外光不具有任何特殊的影響，但是對(duì)于那些波長(zhǎng)不夠長(zhǎng)，短于365.1 nm的紫外光就能夠產(chǎn)生很大的作用，能夠提高探測(cè)設(shè)備的靈敏性。目前主要面對(duì)一個(gè)問(wèn)題還是材料問(wèn)題，所以只要能夠找到合適的方式解決這個(gè)問(wèn)題，那么固態(tài)紫外探測(cè)設(shè)備依靠它本身具備有的強(qiáng)大的特點(diǎn)將可以快速替代大部分的真空紫外探測(cè)設(shè)備，并能推廣其使用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]周梅，左淑華，趙德剛.一種新型GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].物理學(xué)報(bào)，2007（09）：5513-5517.

[2]劉萬(wàn)金，胡小燕，喻松林.GaN基紫外探測(cè)器發(fā)展概況[J].激光與紅外，2012（11）：1210-1214.

[3]王俊，趙德剛，劉宗順，等.GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2004（06）：711-714.

[4]李雪.GaN基紫外探測(cè)器[J].紅外，2004（05）：23-27.

[5]張德恒，劉云燕.GaN紫外光探測(cè)器[J].物理，2000（02）：82-85，113.

endprint

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，GaN基紫外材料在社會(huì)生產(chǎn)已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的充分發(fā)展，被認(rèn)為是和發(fā)光二極管、激光器具有同樣作用的一種器材。基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的GaN紫外探測(cè)器由于具有探測(cè)波長(zhǎng)可調(diào)控性、工藝兼容性好、構(gòu)造種類(lèi)比較繁多等特點(diǎn)，現(xiàn)階段它已經(jīng)成為了同行界廣泛研究的一個(gè)對(duì)象。GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器因?yàn)槠渚哂泻芎玫南鄳?yīng)性能與很快的反應(yīng)速度所以受到業(yè)界人士的如此青睞。筆者以肖特基結(jié)構(gòu)探測(cè)器的不足之處作為著手點(diǎn)，研究并分析了這種新型的GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器。

關(guān)鍵詞GaN；肖特基結(jié)構(gòu)；紫外探測(cè)器；AlGaN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0009-02

現(xiàn)階段，GaN紫外光探測(cè)器被認(rèn)為是和藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器具有同樣作用的一種器具。早在20世紀(jì)末期，US就規(guī)定在寬禁帶半導(dǎo)體的生產(chǎn)目標(biāo)，凡是壽命在1000 h的紫外光探測(cè)器和壽命為1000 h的藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光紫光激光器都將成為GaN材料的主要研究對(duì)象。全球范圍內(nèi)已經(jīng)有很多個(gè)不同的國(guó)家對(duì)這種GaN紫外探測(cè)儀進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)形式的探究和研制，如光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)、p-n結(jié)構(gòu)、p-i-n、p-π-n結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)、MSM結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。在上面這些不同類(lèi)型的探測(cè)儀當(dāng)中，肖特基結(jié)構(gòu)由于具有勢(shì)壘高度高、回避p型等特征，成為業(yè)界最常使用的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，不過(guò)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用實(shí)踐我們也可以看到它有一個(gè)明顯的不足之處：很容易受到一些狀態(tài)的影響，筆者對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的分析，詳細(xì)情況如下。

1結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1AlGaN肖特基型紫外探測(cè)器

圖1是GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖。20世紀(jì)末期的時(shí)候，就有專(zhuān)門(mén)的研究者對(duì)GaN的光電導(dǎo)性能展開(kāi)了探究。在接下來(lái)的時(shí)間里，對(duì)于GaN基光電子器具的研究長(zhǎng)時(shí)間受到下面兩個(gè)問(wèn)題的困擾而不能順利進(jìn)行下去：缺乏優(yōu)質(zhì)的單晶襯底材料（藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配度很高）；找不到合適的措施對(duì)GaN完成p型摻雜這項(xiàng)工作。這項(xiàng)工作進(jìn)行的步驟如下：用低壓（1.013×104 Pa）MOCVD方法在藍(lán)寶石（0001）襯底上生長(zhǎng)六方相GaN，其他的幾種材料分別是三甲基鎵（TMGa）、氮源為高純氨氣（NH3）以及載氣為氫氣（H2）。在具體的研制過(guò)程中，用來(lái)對(duì)各種材料器件進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)APPS來(lái)自US的一所大學(xué)，通過(guò)這個(gè)軟件來(lái)完成模擬計(jì)算工作，通過(guò)這個(gè)工具我們可以完成對(duì)光伏特性的研究。在具體的測(cè)算過(guò)程中，主要的探究對(duì)象是AlGaN（在這里我們先假設(shè)Al組分約為15.1%）窗口層的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)器具產(chǎn)生一定的作用。第一步我們要在550.1℃生長(zhǎng)一個(gè)低溫GaN緩沖層（buffer），厚度大概是20.1 nm，接下來(lái)我們要在1100.1℃生長(zhǎng)高摻雜n型GaN外延層，厚度大概是1.1 μm，混合濃度為5.1×1018 cm-3；接著生長(zhǎng)本征GaN外延層，厚度約為0.6 μm，電子濃度為1×10 cm-3。

在對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)儀的暗電流以及C-V特征進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候我們使用的是HP4280檢測(cè)儀。通過(guò)該項(xiàng)檢測(cè)工作，最后我們可以得到該類(lèi)型的紫外探測(cè)儀能夠產(chǎn)生的光響應(yīng)曲線(xiàn)的類(lèi)型。在具體的測(cè)試工作中我們使用到的光源為75 W的氙燈，它發(fā)出的光通過(guò)折射，返回進(jìn)入單色器具，然后又反射到器具上。探測(cè)器串聯(lián)一個(gè)2 kΩ負(fù)載電阻，與電源形成一個(gè)回路，在它的作用之下獲取光電流信號(hào)，然后通過(guò)Si紫外探測(cè)儀來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確定，從而得到GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)。使用的時(shí)間的長(zhǎng)短是檢測(cè)體系光源使用過(guò)程中325.1 nm的He-Cd激光器，在對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。光線(xiàn)會(huì)照射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備接2 kΩ負(fù)載電阻，示波設(shè)備與負(fù)載電阻設(shè)備遵循并聯(lián)的連接形式，從示波設(shè)備能夠看到探測(cè)設(shè)備的光信號(hào)波狀，從中可以獲得該紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)所需的時(shí)間的長(zhǎng)短。

2模擬計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 新結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)器件的性能比較

一般情況下，一些比較普通的肖特基結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)設(shè)備中，表面態(tài)所引起的表面復(fù)合容易引起設(shè)備量子性能的變小，我們對(duì)不同的復(fù)合性能的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們之間在性能上的卻別。如圖2（a）、（b）所示，分別表示的是表面復(fù)合速度為1.1×107 cm/s，1.1×1010 cm/s時(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、一般的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，GaN紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)光譜，在這種情況下，n型AlGaN層的薄厚是20.1 nm、載流子為1.1×1016 cm-3的濃度都可以看得出來(lái)，當(dāng)表面復(fù)合速率為1.1×105 cm/s的情況下，不管是什么類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)備它的量子性能之間的區(qū)別性都沒(méi)有太大的顯現(xiàn)，同時(shí)其量子性能會(huì)隨隨著其波射的長(zhǎng)度變化發(fā)生細(xì)微的變化，響應(yīng)光譜很平；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×107 cm/s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了無(wú)論在長(zhǎng)波、短波，新結(jié)構(gòu)的量子效率都高于普通結(jié)構(gòu)，但是兩者的響應(yīng)光譜在短波處都有所下降；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×105 cm/s時(shí)，新的結(jié)構(gòu)體系與普通的結(jié)構(gòu)體系之間具有很大的區(qū)別性，新結(jié)構(gòu)器件的量子效率明顯高于普通結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，涉及到的范圍值為331.1 nm到361.1 nm，該種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)在于量子性能要比一般的性能好得多。

圖2

2.2 對(duì)該紫外探測(cè)器的暗電流和C-V特性的測(cè)試

根據(jù)上圖顯示的檢測(cè)體系，測(cè)量得到該紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)，這種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)體系使用的光源是75 W的氙燈，它所發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)器調(diào)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)折調(diào)節(jié)以后射入單色設(shè)備，接著又反射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備連接著2 kΩ負(fù)載電阻，和與電源共同形成一個(gè)回路系統(tǒng)，通過(guò)負(fù)載電阻取得的光電流信號(hào)，在通過(guò)Si紫外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)的明確以后，我們可以獲得GaN肖特基體系紫外探測(cè)設(shè)備的光響應(yīng)曲線(xiàn)。響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)體系會(huì)讓光源為325.1 nm的He-Cd激光設(shè)備，該設(shè)備產(chǎn)生的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)斬波設(shè)備調(diào)節(jié)以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。

2.3 時(shí)間響應(yīng)依賴(lài)于肖特基接觸面積、材料的摻雜和遷移率

在響應(yīng)性能方面肖特基二極管具備一定的平滑性，適于寬帶光電探測(cè)器，響應(yīng)效率的最大值要受到半透明頂部接觸的光反射狀態(tài)的限制。最初研制出來(lái)的肖特基GaN光電探測(cè)設(shè)備使用的是Ti/GaN二極管，通過(guò)這一點(diǎn)我們可以看到主要的限制范圍僅僅為20，而其具體的響應(yīng)性能為130.1 mA/W，有專(zhuān)門(mén)的研究人員采用的是5nmPd在n型GaN上制成肖特基二極管，響應(yīng)性能為180.1 mA/w，在RC電路的限制之下，反向偏壓為-1.35 V時(shí)，等效噪聲功率為4.0nw；E.Monroy等人。使用MOCVD該項(xiàng)工具的時(shí)候在藍(lán)寶石襯底上制備Au、Ni及半透明性質(zhì)的Si：AIGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備，最后的檢測(cè)結(jié)果顯示響應(yīng)性能和設(shè)備尺寸與肖特基金屬不存在任何關(guān)系，AlGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)性能在零偏壓的情況下是29.4 mA/W，通常情況下為14.1 ns，具有相同作用的噪聲性能為41.5nw。為了研制快速反應(yīng)設(shè)備，可在未摻雜的頂層用肖特基接觸，在重?fù)诫s的底層用歐姆接觸發(fā)展垂直結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論

在研制藍(lán)光紫光和紫外光大功率短波長(zhǎng)耐高溫設(shè)備這一項(xiàng)上，GaN材料已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步，GaN紫外探測(cè)設(shè)備現(xiàn)階段仍然處在研究過(guò)程中，這對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)365.1 nm的可見(jiàn)光和紅外光不具有任何特殊的影響，但是對(duì)于那些波長(zhǎng)不夠長(zhǎng)，短于365.1 nm的紫外光就能夠產(chǎn)生很大的作用，能夠提高探測(cè)設(shè)備的靈敏性。目前主要面對(duì)一個(gè)問(wèn)題還是材料問(wèn)題，所以只要能夠找到合適的方式解決這個(gè)問(wèn)題，那么固態(tài)紫外探測(cè)設(shè)備依靠它本身具備有的強(qiáng)大的特點(diǎn)將可以快速替代大部分的真空紫外探測(cè)設(shè)備，并能推廣其使用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]周梅，左淑華，趙德剛.一種新型GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].物理學(xué)報(bào)，2007（09）：5513-5517.

[2]劉萬(wàn)金，胡小燕，喻松林.GaN基紫外探測(cè)器發(fā)展概況[J].激光與紅外，2012（11）：1210-1214.

[3]王俊，趙德剛，劉宗順，等.GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2004（06）：711-714.

[4]李雪.GaN基紫外探測(cè)器[J].紅外，2004（05）：23-27.

[5]張德恒，劉云燕.GaN紫外光探測(cè)器[J].物理，2000（02）：82-85，113.

endprint

摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，GaN基紫外材料在社會(huì)生產(chǎn)已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的充分發(fā)展，被認(rèn)為是和發(fā)光二極管、激光器具有同樣作用的一種器材?；趯捊麕О雽?dǎo)體材料的GaN紫外探測(cè)器由于具有探測(cè)波長(zhǎng)可調(diào)控性、工藝兼容性好、構(gòu)造種類(lèi)比較繁多等特點(diǎn)，現(xiàn)階段它已經(jīng)成為了同行界廣泛研究的一個(gè)對(duì)象。GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器因?yàn)槠渚哂泻芎玫南鄳?yīng)性能與很快的反應(yīng)速度所以受到業(yè)界人士的如此青睞。筆者以肖特基結(jié)構(gòu)探測(cè)器的不足之處作為著手點(diǎn)，研究并分析了這種新型的GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器。

關(guān)鍵詞GaN；肖特基結(jié)構(gòu)；紫外探測(cè)器；AlGaN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）12-0009-02

現(xiàn)階段，GaN紫外光探測(cè)器被認(rèn)為是和藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器具有同樣作用的一種器具。早在20世紀(jì)末期，US就規(guī)定在寬禁帶半導(dǎo)體的生產(chǎn)目標(biāo)，凡是壽命在1000 h的紫外光探測(cè)器和壽命為1000 h的藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光紫光激光器都將成為GaN材料的主要研究對(duì)象。全球范圍內(nèi)已經(jīng)有很多個(gè)不同的國(guó)家對(duì)這種GaN紫外探測(cè)儀進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)形式的探究和研制，如光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)、p-n結(jié)構(gòu)、p-i-n、p-π-n結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)、MSM結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。在上面這些不同類(lèi)型的探測(cè)儀當(dāng)中，肖特基結(jié)構(gòu)由于具有勢(shì)壘高度高、回避p型等特征，成為業(yè)界最常使用的一種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，不過(guò)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用實(shí)踐我們也可以看到它有一個(gè)明顯的不足之處：很容易受到一些狀態(tài)的影響，筆者對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的分析，詳細(xì)情況如下。

1結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1AlGaN肖特基型紫外探測(cè)器

圖1是GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖。20世紀(jì)末期的時(shí)候，就有專(zhuān)門(mén)的研究者對(duì)GaN的光電導(dǎo)性能展開(kāi)了探究。在接下來(lái)的時(shí)間里，對(duì)于GaN基光電子器具的研究長(zhǎng)時(shí)間受到下面兩個(gè)問(wèn)題的困擾而不能順利進(jìn)行下去：缺乏優(yōu)質(zhì)的單晶襯底材料（藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配度很高）；找不到合適的措施對(duì)GaN完成p型摻雜這項(xiàng)工作。這項(xiàng)工作進(jìn)行的步驟如下：用低壓（1.013×104 Pa）MOCVD方法在藍(lán)寶石（0001）襯底上生長(zhǎng)六方相GaN，其他的幾種材料分別是三甲基鎵（TMGa）、氮源為高純氨氣（NH3）以及載氣為氫氣（H2）。在具體的研制過(guò)程中，用來(lái)對(duì)各種材料器件進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)APPS來(lái)自US的一所大學(xué)，通過(guò)這個(gè)軟件來(lái)完成模擬計(jì)算工作，通過(guò)這個(gè)工具我們可以完成對(duì)光伏特性的研究。在具體的測(cè)算過(guò)程中，主要的探究對(duì)象是AlGaN（在這里我們先假設(shè)Al組分約為15.1%）窗口層的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)器具產(chǎn)生一定的作用。第一步我們要在550.1℃生長(zhǎng)一個(gè)低溫GaN緩沖層（buffer），厚度大概是20.1 nm，接下來(lái)我們要在1100.1℃生長(zhǎng)高摻雜n型GaN外延層，厚度大概是1.1 μm，混合濃度為5.1×1018 cm-3；接著生長(zhǎng)本征GaN外延層，厚度約為0.6 μm，電子濃度為1×10 cm-3。

在對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)儀的暗電流以及C-V特征進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候我們使用的是HP4280檢測(cè)儀。通過(guò)該項(xiàng)檢測(cè)工作，最后我們可以得到該類(lèi)型的紫外探測(cè)儀能夠產(chǎn)生的光響應(yīng)曲線(xiàn)的類(lèi)型。在具體的測(cè)試工作中我們使用到的光源為75 W的氙燈，它發(fā)出的光通過(guò)折射，返回進(jìn)入單色器具，然后又反射到器具上。探測(cè)器串聯(lián)一個(gè)2 kΩ負(fù)載電阻，與電源形成一個(gè)回路，在它的作用之下獲取光電流信號(hào)，然后通過(guò)Si紫外探測(cè)儀來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確定，從而得到GaN肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)。使用的時(shí)間的長(zhǎng)短是檢測(cè)體系光源使用過(guò)程中325.1 nm的He-Cd激光器，在對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。光線(xiàn)會(huì)照射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備接2 kΩ負(fù)載電阻，示波設(shè)備與負(fù)載電阻設(shè)備遵循并聯(lián)的連接形式，從示波設(shè)備能夠看到探測(cè)設(shè)備的光信號(hào)波狀，從中可以獲得該紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)所需的時(shí)間的長(zhǎng)短。

2模擬計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 新結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)器件的性能比較

一般情況下，一些比較普通的肖特基結(jié)構(gòu)類(lèi)型的紫外探測(cè)設(shè)備中，表面態(tài)所引起的表面復(fù)合容易引起設(shè)備量子性能的變小，我們對(duì)不同的復(fù)合性能的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們之間在性能上的卻別。如圖2（a）、（b）所示，分別表示的是表面復(fù)合速度為1.1×107 cm/s，1.1×1010 cm/s時(shí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、一般的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，GaN紫外探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)光譜，在這種情況下，n型AlGaN層的薄厚是20.1 nm、載流子為1.1×1016 cm-3的濃度都可以看得出來(lái)，當(dāng)表面復(fù)合速率為1.1×105 cm/s的情況下，不管是什么類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)備它的量子性能之間的區(qū)別性都沒(méi)有太大的顯現(xiàn)，同時(shí)其量子性能會(huì)隨隨著其波射的長(zhǎng)度變化發(fā)生細(xì)微的變化，響應(yīng)光譜很平；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×107 cm/s時(shí)，新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了無(wú)論在長(zhǎng)波、短波，新結(jié)構(gòu)的量子效率都高于普通結(jié)構(gòu)，但是兩者的響應(yīng)光譜在短波處都有所下降；當(dāng)表面復(fù)合速率為1×105 cm/s時(shí)，新的結(jié)構(gòu)體系與普通的結(jié)構(gòu)體系之間具有很大的區(qū)別性，新結(jié)構(gòu)器件的量子效率明顯高于普通結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，涉及到的范圍值為331.1 nm到361.1 nm，該種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)在于量子性能要比一般的性能好得多。

圖2

2.2 對(duì)該紫外探測(cè)器的暗電流和C-V特性的測(cè)試

根據(jù)上圖顯示的檢測(cè)體系，測(cè)量得到該紫外探測(cè)器的光響應(yīng)曲線(xiàn)，這種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)體系使用的光源是75 W的氙燈，它所發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)器調(diào)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)折調(diào)節(jié)以后射入單色設(shè)備，接著又反射到探測(cè)設(shè)備上，探測(cè)設(shè)備連接著2 kΩ負(fù)載電阻，和與電源共同形成一個(gè)回路系統(tǒng)，通過(guò)負(fù)載電阻取得的光電流信號(hào)，在通過(guò)Si紫外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)的明確以后，我們可以獲得GaN肖特基體系紫外探測(cè)設(shè)備的光響應(yīng)曲線(xiàn)。響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)體系會(huì)讓光源為325.1 nm的He-Cd激光設(shè)備，該設(shè)備產(chǎn)生的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)斬波設(shè)備調(diào)節(jié)以后，由高速響應(yīng)的Si紫外探測(cè)器測(cè)量得到光脈沖的上升時(shí)間約為2Ls。

2.3 時(shí)間響應(yīng)依賴(lài)于肖特基接觸面積、材料的摻雜和遷移率

在響應(yīng)性能方面肖特基二極管具備一定的平滑性，適于寬帶光電探測(cè)器，響應(yīng)效率的最大值要受到半透明頂部接觸的光反射狀態(tài)的限制。最初研制出來(lái)的肖特基GaN光電探測(cè)設(shè)備使用的是Ti/GaN二極管，通過(guò)這一點(diǎn)我們可以看到主要的限制范圍僅僅為20，而其具體的響應(yīng)性能為130.1 mA/W，有專(zhuān)門(mén)的研究人員采用的是5nmPd在n型GaN上制成肖特基二極管，響應(yīng)性能為180.1 mA/w，在RC電路的限制之下，反向偏壓為-1.35 V時(shí)，等效噪聲功率為4.0nw；E.Monroy等人。使用MOCVD該項(xiàng)工具的時(shí)候在藍(lán)寶石襯底上制備Au、Ni及半透明性質(zhì)的Si：AIGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備，最后的檢測(cè)結(jié)果顯示響應(yīng)性能和設(shè)備尺寸與肖特基金屬不存在任何關(guān)系，AlGaN肖特基光電探測(cè)設(shè)備的響應(yīng)性能在零偏壓的情況下是29.4 mA/W，通常情況下為14.1 ns，具有相同作用的噪聲性能為41.5nw。為了研制快速反應(yīng)設(shè)備，可在未摻雜的頂層用肖特基接觸，在重?fù)诫s的底層用歐姆接觸發(fā)展垂直結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論

在研制藍(lán)光紫光和紫外光大功率短波長(zhǎng)耐高溫設(shè)備這一項(xiàng)上，GaN材料已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步，GaN紫外探測(cè)設(shè)備現(xiàn)階段仍然處在研究過(guò)程中，這對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)365.1 nm的可見(jiàn)光和紅外光不具有任何特殊的影響，但是對(duì)于那些波長(zhǎng)不夠長(zhǎng)，短于365.1 nm的紫外光就能夠產(chǎn)生很大的作用，能夠提高探測(cè)設(shè)備的靈敏性。目前主要面對(duì)一個(gè)問(wèn)題還是材料問(wèn)題，所以只要能夠找到合適的方式解決這個(gè)問(wèn)題，那么固態(tài)紫外探測(cè)設(shè)備依靠它本身具備有的強(qiáng)大的特點(diǎn)將可以快速替代大部分的真空紫外探測(cè)設(shè)備，并能推廣其使用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]周梅，左淑華，趙德剛.一種新型GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].物理學(xué)報(bào)，2007（09）：5513-5517.

[2]劉萬(wàn)金，胡小燕，喻松林.GaN基紫外探測(cè)器發(fā)展概況[J].激光與紅外，2012（11）：1210-1214.

[3]王俊，趙德剛，劉宗順，等.GaN基肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2004（06）：711-714.

[4]李雪.GaN基紫外探測(cè)器[J].紅外，2004（05）：23-27.

[5]張德恒，劉云燕.GaN紫外光探測(cè)器[J].物理，2000（02）：82-85，113.

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