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1、太阳能光电工程学院PIN 结构GaN 光电探测器性能的研究课程设计报告书题目：PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究名：专业：光伏材料加工与应用技术班级： 光伏材料加工与应用技术本科班准考证号：014411304226设计成绩： 指导教师：PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究摘要半导体光电探铡器主要分成两类，光电导型和光伏型。光电导型原理是由于光生载流子造成电导率的变化，光伏型原理是耗尽区的电场使光生载流子产生定向运动形成电流。常见的光伏型探测器是pn结和pin型光电二极管，另一类型是肖特基型光电二极管，其耗尽区是肖特基原理形成。与光伏型相比，光电导型探测器有两个主要优点：具有内增益
2、和制作简单。然而，光电导型探测器要求加偏置，暗电流大，而且速度慢。肖特基型光探测 器被认为是速度最快的探测器，但是它的势垒较低，漏电流比pin型大。由于 耗尽区窄，而且GaN材料中耗尽区外产生的载流子扩散长度短，肖特基型光探 测器量子效率较低。所以本文选择了pin型光探测器的研究，加入i层是为了扩展耗尽区的宽度，增加对光的吸收。关键词： 氮化镓探测器PIN饱和电流PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究目录绪 言3第一章GaN 基 pin 型探测器41.1 pin 型探测器工作原理41.2 量子效率及光谱晌应61.3 瞬态响应71.4 GaN 基 pin 型探测器研究现状8第二章Ga 基 p
3、in 型紫外探测器的研制102.1 GaN 基 pin 型探测器分析102.1.1 GaN 材料 p 诅紫外探测器102.1.2 pin 紫外探测器分析102.2 材料生长及器件制作122.2.1 材料生长122.2.2 版图设计122.2.3 器件制备143.1 暗电流153.2 光电流16第四章GaN 基 pin 型紫外探测器高温电气性能174.1 不同温度下 IV 性能测试及分析174.1.1 测试系统的建立174.1.2 测试结果处理及分析184.2 不同温度下 C-V 性能测试及分析184.2.1 测试系统的建立184.2.2 测试结果处理及分析19结论20参考文献21PIN 结构
4、GaN 光电探测器性能的研究绪 言半导体紫外探测器体积小，性能稳定，使用方便。利用现己成熟的硅或IIIv 族化合物半导体工艺技术，研制开发廉价，高效的宽带隙半导体紫外探测器，对于国防和国民经济建设都具有重要的现实意义。虽然硅基半导体紫外探测器技术比较成熟，但在太阳辐射背景下运行，需配置笨重的带状滤光器，且耐高温、耐腐蚀特性较差。随着宽带隙半导体PIN结构GaN光电探测器的开发应用，将大大简化紫外光谱监测设备，且能在高温和恶劣环境下运行。地球上大气对波长300nm 以T的光是不透明的，利用这一光学窗口可以实现太阳盲区紫外探测。在过去几年中，PIN结构GaN光电探测器取得较大进展。但是真正太阳盲区
5、高速、高灵敏度、低噪声GaN探测器尚未实现。对探测波长在280nm以下的紫外辐射，尚需高质量、高A壤1分的A1：G3lxN合金材料。对于pD结型系列，在高Al 组分的A1。Ga卜xN合金材料中实现高掺杂将面临新的挑战。对GaN及其三元合金中电子空穴的电离系数尚不清楚，理论计算缺乏可靠的数据。GaN材料的完整能带结构和其中的深能级起源和特性等许多理论问题有待于进一步研究探索。尽管如此，GaN基光电探测器已经展示出美好的前景，不久的将来，宽带隙半导体太阳盲区探测器将在半导体工业中占据重要的位置，在军用民用紫外探测、预警、天际及地空通信和紫外弱光成像系统等领域将发挥重要的作用。PIN 结构 GaN
6、光电探测器性能的研究第一章GaN基 pin 型探测器1.1 pin 型探测器工作原理最早出现的光电二极管如图2-1所示，它实质上是一个反向偏置的pn结二极管。反向偏压的作用是加强内电场和加宽耗尽层，在耗尽区中的电场分布如图2。l所示。在入射光的作用之下，在图中所示的吸收区内产生电子一空穴对，吸收区的宽度(或光的渗透深度)与给定波长下入射光强有关。在吸收区产生的电子和空穴在耗尽层内以高漂移速率分别向二极管的两个电极运动。但在耗尽层外因只有速度低的扩散运动，这势必影响对光信号的响应速度。因此，这种简单的口n 结光电二极管不适合于高频应用。为了提高响应速度，方法之一是加大反向偏压，加宽耗尽层，使耗尽
7、区与吸收区尽量一致。然而，增大反向偏压是很有限的，最好的方法是减少N区的掺 杂浓度，使该区几乎达到本征半导体的状况，这就是下面将要介绍的pin光电探测器。即在P区和N区之间以轻掺杂施主杂质形成近乎本征(I)区。图2，2表示了pin光探测器的原理结构和其内的电场分布。pI I晒 多杂区）I N二扇耗尽区1哏收区l图 2-2 pin 光探测器的原理结构和电场分布Cs(JS, A“I 60:;8.85xlO“FIm, 6r式中选(21)为比例常数(对硅取占，=117)，A择s，和形，可使结电容c达到lpF。而如果有良好的欧姆接触和选择适当的负载电阻，RC时间常数将不会成为响应速度的限制因素。n =l
8、 - r)0 - exp(叫。门）仓“ow1l 04cm-L ,(2 仁 2)归（n凸）. l心前者是光电流t与入射光功率P之比值。响应度通过入射光子的能量与波PI N 结构GaN 光电探测器性能的研究R = I冲 IP = q t,I加(2-3其 中 h 为 普 朗 克 常 数 ， v 是 光 子 频 率 。 当 波 长入 以 微 米 为 单 位如 1.24 / ;l (e V)时，因此， 响应度的一个方便的表达式是，R = nM 1.24(2-4)1.3 瞬态响应光电二极管的响应速度依赖千电路的时间常数以及载流予从产生到收集的 内部弛豫时间。电路时间常数也称为RC时间常数， 是二极管负载电
9、阻与光电二极管电容的乘积。对高速检测而 奋， 二极管的负载电阻常常是50Q。 为获得最小的电容值， 需要同时减小结电容、管壳电容及杂散电容。二极管的结电容简单地表示为rCr = eAl W， 其中s是半导体的介电常数（对大多数化合物半导体而言， 其红 1360典型值为占）， 而A是结面积。减小结电容要求在允许接收所有的入射光的前提下， 采用最小的结面积。限制结面积可以有几种方法，其中两种最普通的方法有台面结构和平面结构。这两种器件都可以允许光通过透明的衬底层入射，也可允许通过薄的或透明 的P型顶层入射。将器件设计为具有最大的实际耗尽层宽度可以减小结电容。为了能在适中的偏压条件下使宽的i 层全部
10、耗尽， 要求i 层的本底掺杂浓度低 。对净施主浓度为NDw=吆y礼）J qN矿的i 层， 单边结的耗尽宽度为， 上式中V是反向偏置电压， 而vb i 是结的内建电压。若光电二极管的Nnml O e m ， 在几伏反向偏压下的耗尽层宽度约为21am, 直径为1009m的结， 其电容近似为 l pF, 对50 Q的负载电阻， RC时间常数为50ps。载流子在光电二极管内的总渡越时间，包括耗尽区内激发产生的光生载流子在外加电场的作用下漂移通过耗尽区的时间，以及在耗尽区外激发产生的光生载PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究流子扩散到耗尽区所需的时间。耗尽区电场的典型值为E104Vcm-1，在光电
11、二极管所通常应用的材料中，该电场下由散射所限制的漂移速度大约为10 7cms。因此，在上述W=29m的例子中，耗尽区的渡越时间为20ps。1.4 GaN 基 pin 型探测器研究现状近来大多数研究工作都聚焦在实现pin型紫外探测器。选择pin结构来设计紫外探测器是因为这种结构有其内在的优点:(1)由于较高的势垒形成较低的暗电流。(2)m作速度高。(3) 高阻抗适于FPA(Foca!plane array)读出电路。(4) 通过调整本征层的厚度可以调整其量子效率和工作速度。(5)器件可以在低偏压下工作。对于这类紫外探测器，有两种工作模式(1)光伏模式(零偏置)，(2)光导模式 (反偏压下)。在反
12、偏压下，耗尽层较宽，器件具有很低的暗电流，也即是它的反向饱和电流。工作模式取决于它的实际应用。在光伏模式，它的暗电流为最低， 然而光导模式下器件有最快的响应速度。图23为器件结构和原理图。要制作出高性能的pin型紫外探测器，关键是增加光的透射率，因此选用半透明金属做欧姆接触，并且减薄P层的厚度，减少对光的吸收，有时为了增加 外部量子效率，在外面镀上抗反射层。对于制作高A1组分的器件，有时用电导率相对较高的p型GaN来替代PAIGaN，来制作更好的欧姆接触，不过厚度要尽量薄。pin探测器的P层常采用宽禁带AIGaN，避免光穿过它时在p区内产生光生载流子。为了保证高的响应速度，pin结深不应超过吸
13、收系数的倒数。要制作短截止波长的器件，需要制作高铝组分的AIGaN材料，D，Walkerl2PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究叫等人制作了A1组分大于70的器件，其结构为P层A1GaN：M92000埃，i层2000 埃，1 u m的AIGaN：Si，在0V偏压下，在232nm截止波长处，光谱响应度为O05AW，在5V偏压下为011AW，从IV特性上得到在10V反偏压下，其漏电流密度为400 u Acm2。由于Mg掺杂的效率比较低，因此采用在A1GaN：Mg层上又生长了50埃的GaN：Mg层，测得零偏的响应度为O09AW，在一5V偏压下响应度为O12AW。因此在加上帽层后其响应度稍有改善
14、。PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究第二章Ga基 pin 型紫外探测器的研制2.1 GaN 基 pin 型探测器分析2.1.1 GaN 材料 p 诅紫外探测器在蓝宝石基底上制造的正面照射GaN和AIGaN pin紫外探测器展现了良好的特性，一骰的pin结构是在蓝宝石基底C平面采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD) 或分子束外延(MBE)生长制造的，其典型结构如图31所示。采用A1N来制作缓冲层，本征GaN层的作用是调整耗尽层的宽度，以得到最佳的量子效率和频率响应。用Si掺杂的方法得到n型GaN，淀积TiAu制作rl型欧姆接触。用快速退火的方式得到P型GmN：Mg，然后淀积上PdAu用
15、来制作P型欧姆接触。2.1.2 pin 紫外探测器分析光从P型（-GaN或p-AIGaN)层入射，调整其厚度使光在P型层被完全吸收，或者在 P层和i层两层中被完全吸收。P-AIGaNiGaNn-GaN(AIGaNGaN)异质结结构同GaN同质结相比，除了用p-AtGaN代替原来的PGaN外，与GaN同质结结构相同， 因此，P型AIGaN层对i-GaN来说是光透明的。为了保证高的响应速度，pin结深不应超过吸收系数的倒数。由于GaN在365nm处的吸收系数约为105cm，相应得光穿透深度少于100nm。这是设计pin各层厚度的依据之一.不同的研究者从获取外延层材料的难易程度和结构对性能影响的不同
16、考虑， P、i、n层的厚度选择各有不同典型的为O51 p m厚的nGaN：Si层、O1图 3-3 GaN(窟线）和AIGaN厄叭（实线)pm型光探测器电流电压曲线OIX E un53仁3 Pa它0 j30引8。;“。eUga v00-2.BSa l。劝11口4o l 面 面 W5g338 a3a -GaN:Mll lAG心：1 G叭，一：Si- S叩phire s油s回el-团3-5蚀娃构光探测器结构示意图2.2.2 版图设计本文制备的pin器件的结构如图3-5所示，下面介绍一下本文所设计的版图图形。绘图所用的软件为Ledit830版。这套版总共有三块分版。PI N 结构GaN 光电探测器性能
17、的研究第二版： 光刻n电极。第三版： 光刻P电极。图3-6， 刻蚀台阶( 0 巧0 叮 11图 3 ? 光刻n 电极( O300 il m)PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究2.2.3 器件制备制作pin器件的常规后工艺流程如下： (1)蒸发Ni2000，衬底温度1200C(2) 刻台阶(光刻、腐蚀Ni、腐蚀AIGaN、去胶、去Ni)，台阶的底部刻蚀达到n型GaN层(采用图3-6版)(3) 光刻n电极(采用图37版)(4)蒸发TiAINiAu(3001500500500)衬底温度800C (5)退火(炉温850 oC，保持30秒，保护气体为氩气1(6)光刻P电极(7)蒸发NiAu(30
18、02000)衬底温度80。C(8)退火(炉温660 oC，保持90秒，保护气体为氮气)PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究第三章GaN 基pin型紫外探测器性能测试3.1 暗电流本章首先对制各的GaN紫外探测器样品进行无光照时的l-V特性测试，也就是测量器件的暗电流。测试采用Agilent 4155C半导体参数测试仪，如图4-1所示，测得其中一器件的电流一电压特性如图42所示，器件的正向导通电压约为44V(电流为1.03mA)。从图中可知反偏40V时反向漏电流依然很小(O88” A)，说明反向击穿电压远远大于40V，反偏20V时反向漏电流为2423hA，反偏10V 时反向漏电流为O.63
19、9nA。, DO芒四 干 OOE O 心43e 远 氓 均 ，心正j 心 EOOlil4 .llOE氓冷凸p 比 b 中 而 nt口 da化current凸OOE咚6,O E心中4. OOE Q中3月OECl(III3“,屯0归3 吵 EO OO1 的 片 0 0阜心D心E 参 Drw;,2,C中1. (1,ll! 心 玉斗tr I 片青.,喜 “ “” “ T，TI飞 t”“”“”心叫户口识4 0 l 1)1) E. OOO。氏 正Vo 归 ge(V)图 4.3 0V- 5V 反偏压下明暗电点对比 吐一4Q1.01 11口6 ,C Oa! 的 E-OO庄 沁 E. m 9 1 .5 年 00
20、凸 如 血 中 “ ent 口 da 欢口丿 ent 公1. “ E00e吁&屯中3喻乒L1 玄 E . OO51 OOE的 3仁 Z畸i百 攫1Jl酕 妞 g仇9OE妞 9l， Q 们 I2 9 啦 . Q叩20 .00 巨 的 0 卜Lllll” “ l1 肛 I”- “ III芯0 0 E-OOO白9 OOE. OOO冯凸 E引沁-2 中 E中 )ijel” “ 1“ ” “ 血 I l l I -IO OOE+ OOO 104Reverse Vo归 geN)图 4-4 OV 10V反偏压下明凡 暗电流对比从图43和图4-4可知，暗电流在反偏IOV、5V时分别为0.638nA和O.127
21、hA。光电流在反偏10V、5V时分别为16.06nA和6.739nA。反偏明、暗电流之比在反偏10V、5V时分鄹为25.17和53.06PI N 结构GaN 光电探测器性能的研究第四章Ga N基 pi n 型紫外探测器高温电气性能4.1 不同温度下 lV 性能测试及分析4. 1. 1 测试系统的建立实验采用的样品是图51 所示的pi n结构的器件， 测试了其中两个器件。采用的设备为半导体参数测试仪HP4155 C, 探针台， Eur ot hc r rn 8 08数字温控仪， 加热炉。图 5-1 待测祥品俯视图探针台（装有加热炉探针台上为待拽潠件）E bllot 比 r m 8 08野 4 1
22、55C图 5-2 电流量电 压特性测试系统示意即(气血， ，fra5lon110 01109 订0.II口g 凡 UB巨(_ Q.0mL 巴与 1 吹llD且屯心龙0 010。 工OOB OOOBt 王OO 内O OOEi”“它9凸丘3“ OO 蠡0 中，o fJCn口10 几“01C旬O OOOO 在为n:3斗e干白心F ofll 咧 心如叩 N图 沁 O心 严 光电探视器的主溫时的正问电沉电压特性- - - +.-三.; -一二三 一己；.千一 歹上 恤，旷 - - - -:- -:- - - -叩 a - - -：.：.- - - - - - -:- - - - - 一一 ；宁 - -
23、-10 比101(l二-5; 一1且,11,1-b-._._. .-r亡眉亡m-丁”“”“，01 01 01 01-飞w0r10寸 (I,_,1 I ，,I ，11.1- t O. J 5 -1o Ld l.s2D己功心！ 如K - 1图 5.S G议 严结隧诏度变化时的饱和电流4.2 不同温度下 C-V 性能测试及分析测试系统的建立采用的设备为HP4280A 1MHz C METERCV PLOTTER，探针台，808PI N 结构GaN 光电探测器性能的研究E11r叶如 m 3叩图 5.11 电饼，.违压怜性测试东块示意图4. 2. 2 测试结果处理及分析图51 2是测得的室温的电容一电压
24、特性。图5- 13为I / C。- V曲线， 近似为直线， 表明结为线性缓变结。所以按线性缓变结的公式来计算杂质浓度梯度和内建电势差。杂质浓度梯度ai：12心 沟qd(l心 ）dV(5- 7)A内 建电势差Vo A(5 -8)12/(.42 忒忒qaj )d(1心 ）d V计算得到杂质浓度梯度和内建电势差分别为1#, 1. 98E+22 cm- 4。3. 85V2#, 2. 25E+22cm-4. 3. 76VPIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究结论早在50年代，人们即开始了对紫外探测技术的研究。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。紫外探测技术在医学
25、、生物学等领域有着广泛的应用，在军事上，它主要用于紫外预警、紫外通讯、紫外红外复合制导和导弹探测等方面。由于GaN材料在365nm(紫外光)波段具有很尖的截止响应特性，因而降低了对滤波器的要求，这使得GaN基的光探测器具有能够在不受长波辐射的影响下，在紫外波段监测太阳盲I复(Solar Blind) 的特性。本文测试了pin型紫外探测器的正反向电流电压特性和紫外光谱响应曲线。经过测量分析，得出如下结论：(1) A1GaNGaN同质结四层结构的pirl型紫外探测器在室温下具有约44V 的正向导通电压(电流为103mA)。(2) 反向暗电流在反偏10V、5V时分别为O638nA和O127nA。(3
26、)反向明电流在反偏10V、5V时分别为1606nA和6739nA。(4)反偏明、暗电流之比在反偏10V、5V时分别为2517和5306。(5)N得的光响应度在366nm处有最大值，为01lAW。(6)反向击穿电压为5391V。综上所述，MGaNGaN同质结四层结构的pin型紫外探测器具有极低的暗电流和比较高的光响应度。PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究参考文献1. 刘榴娣，倪国强，钟生东，方庆豁，王毅紫外线的应用、探测及其新发展光学技术1998，2：87-902. 苑进社，陈光德，张显斌GaN基半导体太阳盲区紫外探测器研究进展半导体光电200324(1)：5-1 13. 黄德修半导体光电子学电子科技火学出版社1994：1861884. 白谢辉，杨定江半导体紫外探测器技术进展激光与红外2003。33(2)：8385PIN 结构 GaN 光电探测器性能的研究