氮化鎵基p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器研究與應(yīng)用.pdf

1、在電磁輻射波譜中紫外線輻射的波長范圍為10～400nm。紫外輻射具有與可見光和紅外輻射完全不同的特性，紫外輻射的應(yīng)用正在成為人們繼紅外輻射之后的又一個研究熱點。在紫外天文學(xué)、火災(zāi)探測、紫外線通訊、紫外線制導(dǎo)、紫外線告警等民用和軍用領(lǐng)域，紫外輻射的應(yīng)用已經(jīng)顯露出誘人的前景。 紫外探測器是所有的紫外線應(yīng)用都必需的重要器件，分為電真空紫外探測器和半導(dǎo)體固態(tài)紫外探測器兩類，其中由半導(dǎo)體材料制成的固態(tài)紫外探測器具有低功耗、不需光學(xué)濾波器等

2、諸多優(yōu)點。目前常用的半導(dǎo)體固態(tài)紫外探測由硅材料制成，常溫下硅材料的禁帶寬度只有1.12eV，將其應(yīng)用于探測紫外輻射需要光學(xué)濾波器，這會帶來諸多負面影響。 近年來人們探索將寬帶隙半導(dǎo)體材料應(yīng)用于紫外輻射的探測，主要是Ⅲ族氮化物，包括AlN、GaN、InN及其三元合金。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN、GaN、InN都為直接帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度分別為6.2eV、3.4eV和1.9eV，他們的三元固溶體合金體系對應(yīng)的波長覆蓋了從紅外到遠紫外光的范

3、圍。 目前，Ⅲ族氮化物的在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用，還存在材料生長、摻雜、歐姆接觸等方面問題，有待研究解決。 本文就GaN基材料應(yīng)用于制備p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器進行了研究，主要工作如下： 1、通過對p-i-n結(jié)構(gòu)光電探測器工作原理的理論分析，結(jié)合GaN材料特性，綜合p-i-n光電探測器各性能指標(biāo)間的相互制約關(guān)系，提出了優(yōu)化設(shè)計GaN基p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器的方法。 2、對用RMBE生長的GaN外延材料進行

4、了顯微結(jié)構(gòu)分析、PL譜測量、霍爾測量，保證了本論文所采用的RMBE生長的GaN外延材料可以用于光電探測器件的制備。在對其中一塊材料的PL譜測量時觀測到了標(biāo)志Ga空位的黃光峰，并避免了這塊材料用于制備探測器。 3、對n-GaN的歐姆接觸及其溫度穩(wěn)定性進行了研究。優(yōu)化了具有最低歐姆接觸電阻率的Ti/Al/Ni/Au(30nm/150 nm/50 nm/50nm)金屬化系統(tǒng)，其室溫下的電阻率為30.6×10<'-7>Ω cm<'2>提

5、出了溫度穩(wěn)定性較好的Cr/Au/Ni/Au(20nto/40hm/60hm/50hm)金屬化系統(tǒng)，在室溫下電阻率為2.63×10<'-4>Ωcm<'2>，300℃時的電阻率為6.5×10<'-4>Ωcm<'2>。其優(yōu)化的退火條件均為N<,2>環(huán)境中，850℃，30秒。 4、對p-GaN的歐姆接觸金屬進行不同淀積方法和不同退火條件的研究。提出了p-GaN歐姆接觸用電子束蒸發(fā)形成的Ni/Au(20hm/20hm)雙層金屬結(jié)構(gòu)，室溫下

6、電阻率為3.6×10<'-2>Ωcm<'2>。提出將二次退火工藝應(yīng)用于p-GaN歐姆接觸制備工藝中。退火條件為N<,2>:O<,2>=2L/min：0.5L/min氣氛環(huán)境，預(yù)退火溫度450℃，時間300秒；再退火溫度520℃，時間300秒。 5、設(shè)計并制備了兩種縱向結(jié)構(gòu)，兩種橫向結(jié)構(gòu)共四種p-i-n型紫外光探測器，對其中兩種大入光面積的樣品進行了不同溫度下的I-V特性測量與分析。對其中以GeuN材料作i層的紫外探測器，計算得到

7、室溫下理想因子為2.09，隨溫度升高，理想因子先大后小，在300℃時理想因子為1.28，在100℃時有最大值2.135；當(dāng)樣品通過1mA電流時其正向壓降的溫度系數(shù)：0～300℃為-1.97mV/℃，-223℃～-23℃為-1.76mV/℃。 6、提出雙注入模型適用于研究以GaN這樣的寬禁帶材料作i層的p-i-n結(jié)構(gòu)的電流電壓關(guān)系，并根據(jù)雙注入模型計算得到i區(qū)的深能級激活能為0.1343eV。 7、通過測量不同溫度下的C-

8、V特性，發(fā)現(xiàn)在高溫段，結(jié)電容隨溫度升高而增大；首次發(fā)現(xiàn)低溫段結(jié)電容與溫度關(guān)系的新現(xiàn)象，并作出了適當(dāng)解釋。通過C-V關(guān)系數(shù)據(jù)計算得到50℃時內(nèi)建電勢差為2.72V。 8、對研制的以GaN材料作i層的紫外探測器進行的光電特性測量表明，反偏電壓5V時，在367nm處獲得峰值響應(yīng)度為0.115A/W，量子效率為38.996，歸一化探測度為2.14×10<'11>cmHz<'1/2>W<'-1>，室溫下暗電流在反偏電壓10V、3V、1V時

9、分別為0.28nA、6.68pA、3.13pA，均處于國內(nèi)先進水平。 9、對研制的以Al<,0.4>Ga<,0.6>材料作i層的紫外探測器進行的光電特性測量表明，反偏電壓5V時，在276nm處獲得峰值響應(yīng)度為0.076A/W，量子效率為34％。以276nm為中心向兩邊各25nm，響應(yīng)度均迅速減小兩個數(shù)量級。將p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器的峰值響應(yīng)波長降至280nm以下，實現(xiàn)了GaN基p-i-n結(jié)構(gòu)日盲型紫外探測器。 10、應(yīng)