光电探测器

PIN 紫外光电探测器的研制黄 瑾, 洪灵愿, 刘宝林, 张保平( 厦门大学物理系,福建厦门361005)摘 要: 用Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为PIN 探测器的有源层,研谈宴制出Al InGaNPIN 紫外探测器。详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试。测试结果表明,器件的正向开启电压约为1. 5 V ,反向击穿电压大于40 V ;室温- 5 V 偏压下,暗电流为33 pA ,350 nm 处峰值响应度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %。关键词: Al InGaN/ GaN ; PIN 光电探测器; 紫外光电探测器中图分类号: TN304 文献标悉侍识码: A 文章编号: 1001 - 5868 (2008) 05 - 0669 - 04Development on Al InGaN/ Ga N PIN Ultraviolet PhotodetectorsHUAN GJ in , HON G Ling2yuan , L IU Bao2lin , ZHAN G Bao2ping(Dept. of Physics , Xiamen University , Xiamen 361005 , CHN)Abstract : Using Al InGaN instead of Al GaN as t he source film of a p hotodetector s , anAl InGaN2based PIN UV p hotodetector was developed. It s device st ruct ure and fabricationprocessing are int roduced in detail . Measurement result s show t hat it s t urn2on voltage is about1. 5 V , and VBR > 40 V ; under - 5 V bias voltage at room temperat ure , t he dark current is about33 pA ; t he peak responsivity can reach 0. 163 A/ W at 350 nm , and t he quant um efficiency is58 %.Key words : Al InGaN/ GaN ; PIN p hotodetector ; ult raviolet p hotodetector1 引言GaN 基三元合金Al x Ga1 - x N 材料是波长范围连续的直接带隙半导体,随材料Al 组分的变化其带隙在3. 4～6. 2 V 连续变化,带隙变化对应含陆银波长范围为200～365 nm ,覆盖了地球上大气臭氧层吸收光谱区(230～280 nm) ,是制作太阳盲区紫外光探测器的理想材料。Al GaN 基宽禁带半导体探测器作为新一代紫外探测器[1 ] ,在军事和民用上都有重要的应用,受到国内外的广泛重视。目前,Al GaN/ GaN 材料和器件结构仍存在诸多有待解决的问题: (1) 作为有源区的Al GaN 与作为衬底的GaN 材料之间晶格失配,导致外延层位错密度较高和紫外探测器的暗电流较大; (2) p 型掺杂Mg 的激活能很大,其激活率很低,p 型Al GaN材料带隙宽、功函数高,空穴浓度低,从而难于获得良好的金属与p 型半导体接触(欧姆接触) ; (3) 结构的优化设计,例如减少表面光反射率,优化有源层厚度,提高器件的量子效率,从而提高其光响应度等。针对这些困难,我们提出了以下几个改进措施:(1 ) 用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的i 层;(2) 在p 型Al InGaN 材料上再生长一层p 型GaN材料,用于提高与金属接触层的半导体的空穴浓度,有利于形成良好的欧姆接触; (3) 采用Ni/ Au 双层作为p 电极,形成了良好的金属与半导体欧姆接触。本文通过对Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研究,详细介绍了其结构设计和制作工艺,以及其器件的测试结果。·669 ·《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制2 问题分析和解决方案目前,紫外光电探测器一般采用Al GaN/ GaN结构。随着Al GaN 中的Al 组分增加及响应波长的减小,Al GaN 和GaN 之间的晶格失配变大,应力增大,大大限制了Al GaN/ GaN 结构的器件性能,特别是其暗电流和响应度。但是,Al InGaN 四元合金的禁带宽度Eg 和晶格常数却可以独立变化,使我们有可能调整禁带宽度到所需要的数值,同时保持较低的位错密度,从而降低暗电流。图1 中的虚线代表了晶格常数与GaN 一致的Al InGaN 的禁带宽度的变化范围,如果用Al InGaN 四元合金做有源区,就可以解决晶格失配所带来的问题。四元合金Al x Iny GazN 晶格常数a 随组分的变化关系可表示为[ 3 ]aAl x In y Ga zN = xaAlN + yaInN + zaGaN (1)式中, x + y + z = 1 。Al x Iny GazN 带隙随组分的变化关系可表示为[ 4 ]Q( x , y , z) = xy T121 - x + y2 + yz T231 - y + z2 +xz T131 - x + z2 / ( xy + yz + xz ) (2)式中, Tij (α) =αB j + (1 - α) Bi + bijα(1 - α) , i , j =1 ,2 ,3 分别代表AlN , InN ,GaN ,B 代表二元合金的禁带宽度, b 代表三元合金的弯曲系数, b12 = - 5 ;b23 = - 4. 5 ; b13 = - 1 。图1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度与晶格常数的关系如果aAl x In y Ga zN = aGaN , 即Al InGaN 与GaN 晶格匹配。把表1 的各项参数带入式(1) ,得到x ∶y= 4. 47 ∶1 。那么,与GaN 晶格匹配的Al InGaN 的禁带宽度范围从3. 39 eV ( GaN ) 到4. 67 eV(Al0. 817 In0. 183N) ,相应的波长从365 nm ( GaN) 到266 nm (Al0. 817 In0. 183 N) 。这一波段正好处于日盲区域,是紫外光探测器的理想探测波段。表1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度和晶格常数[ 2]参数GaN AlN InNa/ nm 0. 318 9 0. 311 2 0. 353 3c/ nm 0. 518 6 0. 498 2 0. 569 3Eg / eV 3. 39 6. 20 1. 903 实验结果及分析3. 1 样品结构生长及材料性能本研究使用中国科学院半导体所用MOCVD系统生长的Al InGaN 材料。样品A 是我们研制PIN 型紫外光电探测器的总体结构。先在Al2 O3 衬底上生长GaN 缓冲层, 再生长3 μm 掺Si 的n2GaN , 然后是0. 2μm 的未掺杂的i2Al InGaN ,再生长0. 2μm 的掺Mg 的p2Al InGaN ,最后生长0. 1μm 的掺Mg 的p2GaN 作为欧姆接触层。为了研究中间的未掺杂的Al InGaN 层和p 型Al InGaN 层的性质,我们又分别生长了样品B 和样品C。样品B是先在Al2 O3 衬底上生长GaN 缓冲层, 再生长3μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1μm 未掺杂的i2Al InGaN。样品C 是先在Al2 O3 衬底上生长GaN缓冲层, 再生长3μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1μm 掺Mg 的p2Al InGaN 。分别对样品B ,C 做了X 光三晶衍射实验。图2 (a) 、( b) 分别是样品B 和C 的X 光三晶衍射谱。图2 (a) 中的34. 565°的峰是GaN (0002) 峰,34. 602°的峰是Al InGaN (0002) 峰。图2 (b) 中的34. 565°的峰是GaN ( 0002 ) 峰, 34. 583°的峰是Al InGaN(0002) 峰。由此,计算出样品B 和C 的晶格常数列于表2中。从计算结果可以看出样品B 和样品C 中Al InGaN 与GaN 晶格常数基本匹配。(a) 样品B·670 ·SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 29 No. 5 Oct. 2008(b) 样品C图2 样品的X光三晶衍射谱表2 样品B和C的晶格常数样品cGaN / nm cAl InGaN / nmΔcc GaN/ %B 0. 518 50 0. 518 00 0. 096C 0. 518 50 0. 518 31 0. 037为了分析Al InGaN 材料的组分,对样品进行PL 谱测量。对比图3 (a) 、(b) 、(c) 得出,在图3 (c)中,358. 6 nm 的发光峰为p2Al InGaN 的带边发射;365 nm 的发光峰为GaN 的带边发射;i2Al InGaN 的发光峰基本与GaN 的发光峰重合。计算得出p2Al InGaN 的禁带宽度Eg = 3. 46 eV 。(c) 样品A图3 样品的室温(300 K) PL 谱根据上面分析可知, 与GaN 晶格匹配的Al x Iny GazN材料中,Al 组分与In 组分的比值为4. 47 ∶1 ,所以我们可以确定p2Al InGaN 材料的组分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902N。3. 2 器件工艺本文按常规工艺制备了如图4 所示结构的PIN光电探测器。它包括n2GaN 底层,i2Al InGaN 光吸收层, p2Al InGaN 过渡层, p2GaN 欧姆接触层。SiO2 作为器件的保护层和抗反射膜,用Ti/ Al/ Ni/Au 作n 电极,用Ni/ Au 作p 电极。图4 Al InGaN/ GaN PIN 结构示意图试验中对p 型欧姆接触进行了工艺优化,材料为K0299 p 型样品。合金温度优化表明500 ℃下所获得的接触性能最好, 比接触电阻为1. 0 ×10 - 2Ω ·cm2 。随后分别在K0299 ( p2GaN ) 样品和K0294 (p2Al InGaN) 样品上制备了电极,结果p 型Al InGaN 的I2V 特性很差,电阻率很大,难以形成欧姆接触。相比之下,p 型GaN 的I2V 特性就好得多, 而且形成了欧姆接触。所以我们在p 型Al InGaN 层上面生长了一层p2GaN ,用p2GaN 来做欧姆接触层,降低了电阻率。·671 ·《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制4 器件性能测试与分析图5 (a) 为Al InGaN PIN 型紫外探测器在正向偏压下的I2V 特性曲线,其正向开启电压约为1. 5V 。图5 (b) 为器件在反向偏压下的I2V 特性曲线,器件的反向击穿电压约为40 V ,表现出较好的硬击穿。由上述可见器件的I2V 特性良好。图5 器件的I2V 特性曲线将测试的数据进行处理,得到暗电流和反向偏压关系曲线如图6 。从图6 可以看出,暗电流随反相偏压增大而增大。在未加偏压时,暗电流在10 - 12A 的数量级,在- 5 V 偏压下,暗电流仍然比较小,仅为3. 3 ×10 - 11 A。图7 是在- 5 V 偏压下测试得到的响应光谱。光谱响应范围在200～400 nm ,实现了紫外探测。Al InGaN 的禁带宽Eg = 3. 46 eV ,由公式hν≥Eg ,λν= C ,可算出λ≤358. 4 nm。器件对波长大于358nm 的入射光响应很小,相对峰值响应接近于零;小于200 nm 的入射光因为波长短,光吸收系数很大,被表面复合,无法在外电路中形成光电流[ 5 ] 。但从图7 看出,光谱响应的范围较窄,主要原因有: (1) p2Al InGaN 层的Al 组分小,没能形成窗口层; (2) p2Al InGaN 层太厚,在光达到i 层前,大部分的光被p2Al InGaN 层吸收了。样品在350 nm - 5 V 偏压下峰响应为0. 163A/ W ,量子效率达到58 %,性能优于T. N Oder 等人[6 ] 报道的最大响应度0. 13 A/ W @326. 8 nm 的In0. 02Al0. 15 Ga0. 83N 紫外光电探测器。最大响应度没有出现在“太阳盲区”250～300 nm 范围内,主要是因为i 层的Al InGaN 材料的Al 组分太小,使得i2Al InGaN 的禁带宽度与GaN 的禁带宽度接近。5 结论采用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的有源层,成功研制出PIN 紫外光电探测器。通过PL 谱测量和X 射线衍射实验,计算出生长的p2Al InGaN材料的组分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902 N ,与GaN 材料的晶格失配率仅为0. 037 %。(下转第708 页)·672 ·SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 29 No. 5 Oct. 2008品温度和环境温度慢慢趋于一致,即趋于热平衡时,电阻变化缓慢且阻值降低较小。图6 样品B 在空气中和真空中的电阻测量结果4 结论采用PECVD 法制备的掺硼氢化非晶硅薄膜,其电阻值随测试时间呈现上升趋势,经XPS 分析发现薄膜中存在氧化现象。光照条件下,样品光电阻上升幅度增加,长时间的光照会导致S2W 效应出现,分析表明光照会引起材料中弱Si - Si 键的断裂,导致悬挂键缺陷态产生。掺硼氢化非晶硅的电阻在退火前后均呈现波动现象,是由于随机电报噪声的存在。通过对样品在真空中和空气中电阻测量,证实在真空中材料焦耳热作用更显著,另外空气的对流也对材料温度变化产生影响。参考文献:[1 ] Spear W E , Lecomber P G. Substitutional doping ofamorphous silicon [ J ] . Solid State Communication ,1975 ,17 (9) :1 19321 196.[2 ] Kelly M J . Model amorphous semiconductorst ructures : tight2binding s2band elect ronic st ructure[J ] . J . 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