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1、第第10章章 紫外探测与成像器件紫外探测与成像器件10.1 紫外光的特性紫外光的特性10.1.1 紫外光波段的划分紫外光波段的划分紫外光（紫外光（UV）是波长在）是波长在10nm400nm之之间的电磁波，介于可见光波与伦琴间的电磁波，介于可见光波与伦琴(X)射线射线之间。之间。美国空军地球物理实验室根据大气物理学、美国空军地球物理实验室根据大气物理学、光学和人眼生理学对紫外光谱分区，把紫光学和人眼生理学对紫外光谱分区，把紫外光分了四个波段：外光分了四个波段：极远紫外、远紫外、中紫外和近紫外。极远紫外、远紫外、中紫外和近紫外。紫外光和可见光波长范围划分图夜天光夜天光是由各种自然辐射源的辐射综合形
2、成的。是由各种自然辐射源的辐射综合形成的。月光、星光、大气辉光、以及太阳光、月光和星月光、星光、大气辉光、以及太阳光、月光和星光的散射光是造成夜间天空自然光的主要光源，光的散射光是造成夜间天空自然光的主要光源，这些统称为这些统称为夜天光夜天光。夜天光夜天光包含有可见光成份、丰富的近红外辐射和包含有可见光成份、丰富的近红外辐射和紫外光等。紫外光等。在自然界中，太阳是最强烈的紫外光辐射在自然界中，太阳是最强烈的紫外光辐射源源.太阳辐射太阳辐射功功率率谱谱密密度度波长波长(nm)400800120016002000紫外线紫外线 可见光可见光红外线红外线黄绿光黄绿光0太阳的紫外光通过大气时呈现以下特性
3、：太阳的紫外光通过大气时呈现以下特性：（1）大气中的氧气强烈地吸收波长小于）大气中的氧气强烈地吸收波长小于200nm的紫外光，所的紫外光，所以只有在太空中存在这个波段的紫外光，因而被称为以只有在太空中存在这个波段的紫外光，因而被称为真空紫真空紫外外。（2）大气中的臭氧层对）大气中的臭氧层对200nm300nm波长的紫外光波长的紫外光也强烈地吸收，因而在太阳紫外光中的这个波段也几乎完也强烈地吸收，因而在太阳紫外光中的这个波段也几乎完全被吸收了，所以被称为全被吸收了，所以被称为“日盲区日盲区”。此波段被人们所使。此波段被人们所使用。用。（3）太阳辐射的近紫外波段）太阳辐射的近紫外波段300nm-4
4、00nm能较多地透能较多地透过地球大气层，因而该波段被称为大气的过地球大气层，因而该波段被称为大气的“紫外窗口紫外窗口”。由于经过大气层的强烈散射，所以在大气层中，由于经过大气层的强烈散射，所以在大气层中，近紫外光近紫外光是均匀散布的。是均匀散布的。在紫外光应用中，真空紫外只在天文和空间研究中有用。在紫外光应用中，真空紫外只在天文和空间研究中有用。军事上则利用其中（军事上则利用其中（2)、（、（3)的特性。的特性。在在“日盲区日盲区”，由于军事目标，由于军事目标(如飞机和火箭的尾焰如飞机和火箭的尾焰)的紫外的紫外辐射强于太阳的紫外辐射，所以利用该辐射来进行对空目辐射强于太阳的紫外辐射，所以利用
5、该辐射来进行对空目标探测。标探测。在近紫外区，地面或近地面的军事目标在近紫外区，地面或近地面的军事目标(如直升机如直升机)挡住了大挡住了大气散射的太阳紫外光，因而气散射的太阳紫外光，因而在均匀的紫外光背景上形成一在均匀的紫外光背景上形成一个个“暗点暗点”，就是利用这个，就是利用这个“暗点暗点”，进行制导或探测，进行制导或探测。目前在被动紫外光军事应用研究中都是利用这两个特点。目前在被动紫外光军事应用研究中都是利用这两个特点。采用紫外波谱工作的好处是：采用紫外波谱工作的好处是：在此波段自然界很少有产生虚假信号的辐射源，因此检测在此波段自然界很少有产生虚假信号的辐射源，因此检测到的大量信号都是人为
6、产生的。这样就减轻了信号处理的到的大量信号都是人为产生的。这样就减轻了信号处理的负担，减少了必须处理的检测目标数量。负担，减少了必须处理的检测目标数量。虽然导弹羽烟中的紫外含量低于红外几个数量级，但仍有虽然导弹羽烟中的紫外含量低于红外几个数量级，但仍有足够的能量供重要的战术告警使用。足够的能量供重要的战术告警使用。紫外检测的难点是得到所需的滤波特征传感器，该传感器紫外检测的难点是得到所需的滤波特征传感器，该传感器必须对无用波长强力衰减，衰减因子达必须对无用波长强力衰减，衰减因子达15个数量级，并且个数量级，并且必须在必须在10nm内完成从通带内完成从通带(passband)到阻带到阻带(sto
7、pband)的转换。的转换。(此页供阅读参考）此页供阅读参考）什么是什么是紫外线紫外线紫外线紫外线按照波长划分为四个波段：按照波长划分为四个波段：1.UVA波段，波长波段，波长320420nm，又称为长波黑斑效应，又称为长波黑斑效应紫外线紫外线。它有很强的穿透力，。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波紫外线紫外线 有超过有超过98%能穿透臭能穿透臭氧层和云层到达地球表面，氧层和云层到达地球表面，UVA可以直达可以直达 肌肤的真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤肌肤的真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，将我们的皮肤晒黑
8、。维，将我们的皮肤晒黑。360nm波长的波长的UVA紫外线紫外线符合昆虫类的趋光性反应曲线，可符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作诱虫灯。制作诱虫灯。300-420nm波长的波长的UVA紫外线紫外线可透过完全截止可见光的特殊着色玻璃灯可透过完全截止可见光的特殊着色玻璃灯管，仅辐射出以管，仅辐射出以365nm为中心的近紫外光，可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。为中心的近紫外光，可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。2.UVB波段，波长波段，波长275320nm，又称为中波红斑效应，又称为中波红斑效应紫外线紫外线。中等穿透力，它的波。中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中
9、波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外线紫外线大部分被臭氧层所吸收，大部分被臭氧层所吸收，只有不足只有不足2%能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。UVB紫外线紫外线对人体具有红斑对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。引起红肿脱皮。紫外线紫外线保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃（不透过保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃（不透过254nm以下的光）和峰值在以下的光）和峰值在300nm
10、附近的荧光粉制成。附近的荧光粉制成。3.UVC波段，波长波段，波长200275nm，又称为短波灭菌，又称为短波灭菌紫外线紫外线。它的穿透能力最弱，无法穿。它的穿透能力最弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外线紫外线几乎被臭氧层完全吸收。短波几乎被臭氧层完全吸收。短波紫外线紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。肤癌。紫外线杀菌灯紫外线杀菌灯发出的就是发出的就是UVC短波短波紫外线紫外线。4.V UV波段，波长波段，波长10020
11、0nm，又称为真空，又称为真空紫外线紫外线。10.1.2 大气对紫外光的吸收大气对紫外光的吸收通常，大气对中紫外辐射产生影响的主要因素有通常，大气对中紫外辐射产生影响的主要因素有四种：四种：O3的吸收、的吸收、O2的吸收、瑞利散射、溶胶散的吸收、瑞利散射、溶胶散射和吸收。射和吸收。每种因素影响的大小取决于大气粒子组份的浓度每种因素影响的大小取决于大气粒子组份的浓度和反应截面，截面又随着不同波长、不同位置的和反应截面，截面又随着不同波长、不同位置的变化而变化。变化而变化。1O3的吸收的吸收 O3是地球大气中有效吸收中紫外辐射的最重要是地球大气中有效吸收中紫外辐射的最重要气体，它是由气体，它是由O
12、2和氧分子分解后的和氧分子分解后的O结合形成的。结合形成的。O3对电磁波谱有几个吸收带，波长从对电磁波谱有几个吸收带，波长从220nm320nm，正是这个带的存在引起近地面的太阳光，正是这个带的存在引起近地面的太阳光谱在波长谱在波长290nm)不灵敏。不灵敏。紫外成像增强器紫外成像增强器:自自80年代以来，成为一种新型的高性能光电探测年代以来，成为一种新型的高性能光电探测器，为导弹羽烟紫外辐射的探测提供了一种先进器，为导弹羽烟紫外辐射的探测提供了一种先进的探测器。的探测器。与传统的像管结构相比，微通道板与传统的像管结构相比，微通道板(MCP)结构结构的像增强器有响应速度快、优越的抗磁场干扰能的
13、像增强器有响应速度快、优越的抗磁场干扰能力、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，图像读力、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，图像读出方便，实现了紫外探测成像，获得了高分辨率、出方便，实现了紫外探测成像，获得了高分辨率、高灵敏度的优点。高灵敏度的优点。紫外像增强器的光谱响应主要取决于光电阴极紫外像增强器的光谱响应主要取决于光电阴极的材料。的材料。在在II-VI族化合物中，族化合物中，CsTe、RbTe和和CsRbTe光光电阴极对紫外光电阴极对紫外光(160nm300nm)有很高的灵敏有很高的灵敏度，而对可见光不灵敏。在度，而对可见光不灵敏。在253.7nm处的量子效处的量子效率为率为20，显示出很好的
14、，显示出很好的“日盲日盲”特性。特性。紫外成像增强器是电真空器件，体积重量都比较紫外成像增强器是电真空器件，体积重量都比较大。大。而随着半导体技术的发展，而随着半导体技术的发展，-族化合物半导体族化合物半导体越来越受到重视。越来越受到重视。GaN（氮化镓）、（氮化镓）、InN(氮化铟氮化铟)、AlN（氮化铝）这三种材料的禁带宽度分别为（氮化铝）这三种材料的禁带宽度分别为3.4eV，1.9eV，6.2eV,覆盖了从可见光到紫外光覆盖了从可见光到紫外光波段，从而使紫外探测、成像器件的制作材料的波段，从而使紫外探测、成像器件的制作材料的选择有了很大的空间选择有了很大的空间,被视为在蓝色和紫外波段最被
15、视为在蓝色和紫外波段最有前景的光电材料。有前景的光电材料。固体紫外成像器件固体紫外成像器件:具有高可靠性、高效率、快速具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点，在宇响应、长寿命、全固体化、体积小等优点，在宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、飞机尾焰探宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、飞机尾焰探测、火灾等领域内发挥重大作用。测、火灾等领域内发挥重大作用。同现行的红外探测系统相比，利用中紫外进行导同现行的红外探测系统相比，利用中紫外进行导弹发射探测有以下几个优点：弹发射探测有以下几个优点：（1)紫外探测技术是导弹的克星，是低空防御紫外探测技术是导弹的克星，是低空防御的必备装置，也
16、是快速处理信号的先进技术。的必备装置，也是快速处理信号的先进技术。（2)在紫外区中，空间造成的紫外背景辐射较在紫外区中，空间造成的紫外背景辐射较少，同时也避开了最大的自然光源，信号探测难少，同时也避开了最大的自然光源，信号探测难度下降，虚警率减少，探测概率提高。度下降，虚警率减少，探测概率提高。（3)用紫外探测使得系统结构简化，无需制冷、用紫外探测使得系统结构简化，无需制冷、不扫描、质量轻、体积小。不扫描、质量轻、体积小。10.3 紫外像增强器紫外像增强器紫外像增强器的结构与微光像增强器相似，主要有两种型紫外像增强器的结构与微光像增强器相似，主要有两种型号，近贴型和倒像管。与微光像增强器相比，
17、其差别主要号，近贴型和倒像管。与微光像增强器相比，其差别主要在于光电阴极的不同。在于光电阴极的不同。1.输入窗口输入窗口阴极输入窗口选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光谱阴极输入窗口选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光谱响应及其它方面要求。响应及其它方面要求。像增强器的阴极输入窗口在像增强器中的作用可以概括为像增强器的阴极输入窗口在像增强器中的作用可以概括为以下几点：以下几点：（1）作为像增强器的骨架，必须具有一定的硬度和强度，）作为像增强器的骨架，必须具有一定的硬度和强度，同时与管体一起形成真空密封结构，满足气密性的要求；同时与管体一起形成真空密封结构，满足气密性的要求；（2）在一定波长范围
18、内，具有好的透过率，能够满足工）在一定波长范围内，具有好的透过率，能够满足工作需要；作需要；（3）作为光电阴极发射层的衬底，有利于光电阴极发射）作为光电阴极发射层的衬底，有利于光电阴极发射层的生长和附着；层的生长和附着；（4）具有一定的形状，加工性能要良好；）具有一定的形状，加工性能要良好；（5）成本要低，市场容易采购。可供选择的材料其透过）成本要低，市场容易采购。可供选择的材料其透过率曲线如图率曲线如图10-3如示。如示。MgF2晶体短波极限波长达到了晶体短波极限波长达到了110nm左右，从透过率性能判断能够满左右，从透过率性能判断能够满足要求，同时足要求，同时,其它氟化物如其它氟化物如Ca
19、F2、溴化物如、溴化物如NaBr等都能满足透紫外的等都能满足透紫外的要求，但是这些晶体它们大部分都是柔软物要求，但是这些晶体它们大部分都是柔软物,而且吸湿性能特别明显，而且吸湿性能特别明显，不能满足像增强器的阴极输入窗口的要求。不能满足像增强器的阴极输入窗口的要求。普通玻璃短波透过率极限波长在普通玻璃短波透过率极限波长在260nm附近，不能满足日盲波段透过附近，不能满足日盲波段透过的要求。的要求。紫外光纤面板和高紫外光纤面板和高EMA光纤面板短波透过率极限波长光纤面板短波透过率极限波长300nm，不能满，不能满足日盲波段透过的要求。足日盲波段透过的要求。EMA，extramural-absor
20、ption，就是在光纤，就是在光纤玻璃间的缝隙处填充光吸收的玻璃纤维丝，可吸收非相干传输的杂散光，玻璃间的缝隙处填充光吸收的玻璃纤维丝，可吸收非相干传输的杂散光，在光纤扭像器中用得较多。在光纤扭像器中用得较多。只有石英玻璃，短波透过率极限波长在只有石英玻璃，短波透过率极限波长在190nm以下，满足日盲波段透过的以下，满足日盲波段透过的要求，同时石英玻璃容易从市场采购到，加工难度较普通玻璃稍难，但成要求，同时石英玻璃容易从市场采购到，加工难度较普通玻璃稍难，但成本不会增加太多。石英玻璃硬度、强度、气密性等方面也满足作为日盲型本不会增加太多。石英玻璃硬度、强度、气密性等方面也满足作为日盲型紫外像增
21、强器的阴极输入窗口的要求。因此石英玻璃作为紫外像增强器的紫外像增强器的阴极输入窗口的要求。因此石英玻璃作为紫外像增强器的阴极输入窗口。阴极输入窗口。2 紫外阴极紫外阴极碲化铯阴极是一种正电子亲和势阴极，其碲化铯阴极是一种正电子亲和势阴极，其禁带宽度为禁带宽度为Eg=3.3eV,电子亲和势为电子亲和势为EA=0.2eV，发生电子发射的能量为，发生电子发射的能量为Eg+EA。可见，要实现光电发射必须使入射能量大可见，要实现光电发射必须使入射能量大于于ETH=3.5eV。利用光电发射定律的公式，可得其阈值波利用光电发射定律的公式，可得其阈值波长为长为350nm。为了防止光电子与价键上的电子发生碰撞为
22、了防止光电子与价键上的电子发生碰撞电子而产生二次电子电子而产生二次电子-空穴对，一个比较大空穴对，一个比较大的禁带宽度是必要的。的禁带宽度是必要的。Cs2Te光电发射的原理图 作为一种光电发射材料，碲化铯除了具有所有光作为一种光电发射材料，碲化铯除了具有所有光电发射材料的共同点之外，还具有以下的特点：电发射材料的共同点之外，还具有以下的特点：（1）碲化铯的电阻特别大，在进行阴极制作时，）碲化铯的电阻特别大，在进行阴极制作时，很难检测到光电流；很难检测到光电流；(2)构成碲化铯的材料的饱和蒸汽压很高，系统构成碲化铯的材料的饱和蒸汽压很高，系统在常规的烘烤过程中会出现挥发现象；在常规的烘烤过程中会
23、出现挥发现象；（3）透射式大面积碲化铯阴极的制作工艺的难度较）透射式大面积碲化铯阴极的制作工艺的难度较大。大。根据光电发射的物理模型（见光电阴极部根据光电发射的物理模型（见光电阴极部分），要成为良好的光电发射体必须具备分），要成为良好的光电发射体必须具备以下特点：以下特点：（1）光吸收系数大；）光吸收系数大；（2）光电子在体内传输过程中能量损失）光电子在体内传输过程中能量损失小，逸出深度大；小，逸出深度大；（3）表面势垒低，使表面逸出几率大。）表面势垒低，使表面逸出几率大。Cs2Te阴极的结构模式 Cs2Te阴极由三层构成，第一层，石英玻璃；第阴极由三层构成，第一层，石英玻璃；第二层，导电膜；
24、第三层，二层，导电膜；第三层，Cs原子和原子和Te原子以原子以2:1构成的基本光电发射层。构成的基本光电发射层。根据良好光电发射体的理论，要求第一、第二层要根据良好光电发射体的理论，要求第一、第二层要对紫外光的吸收系数要小，但是对于成型的石英玻对紫外光的吸收系数要小，但是对于成型的石英玻璃和金属导电层，紫外线吸收系数已经无法改变，璃和金属导电层，紫外线吸收系数已经无法改变，然而可以将导电膜制作成性能类似于然而可以将导电膜制作成性能类似于Cs2Te的材料，的材料，使其具有既能提高阴极的电导率又能发生紫外发射使其具有既能提高阴极的电导率又能发生紫外发射的功能。的功能。金属中金属中W、Au、Cu、A
25、l具有既能导电又具有紫外具有既能导电又具有紫外光电发射的性能。光电发射的性能。在制作在制作Cs:Te=2:1的过程中，尽量保证其比的过程中，尽量保证其比例合适，形成的晶体具有高电子发射效率例合适，形成的晶体具有高电子发射效率结构。为了保证结构。为了保证Cs:Te以以2:1形成晶体，采形成晶体，采用先蒸镀一层碲膜，然后在激活温度缓慢用先蒸镀一层碲膜，然后在激活温度缓慢铯化最终形成铯化最终形成Cs2Te，铯化过程中利用光电，铯化过程中利用光电流监控法监控光电流的变化，当光电流达流监控法监控光电流的变化，当光电流达到最大，停止铯化，整个工艺结束。到最大，停止铯化，整个工艺结束。图10-7 三种紫外光
26、电阴极的光谱特性曲线1.Cs-Te阴极 2.Te-Cs-Rb阴极 3.Te-Rb阴极10.4 GaN的性质的性质与成熟的半导体材料与成熟的半导体材料Si相比，相比，-族化合物半导体材料普族化合物半导体材料普遍具有耐高温、低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特性，遍具有耐高温、低介电常数、耐腐蚀、抗辐射等优良特性，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的器非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的器件。件。在这些材料中，在这些材料中，GaN和和AlGaN材料的表现尤为突出。材料的表现尤为突出。AlxGa1-xN化合物材料半导体具有从化合物材料半导体具有从3.4（x=0）到）到6.2电子
27、电子伏特伏特(x=1)的直接带隙宽度，因此它们是最适合用来制作的直接带隙宽度，因此它们是最适合用来制作紫外光探测器和可见光盲探测器。它的宽直接带隙使它成紫外光探测器和可见光盲探测器。它的宽直接带隙使它成为许多探测器应用领域的理想选择。为许多探测器应用领域的理想选择。而而GaN是一种宽禁带的直接带隙半导体，由此种材料制成是一种宽禁带的直接带隙半导体，由此种材料制成的探测器对能量大于的探测器对能量大于3.4eV的光子有很大的响应度，并且的光子有很大的响应度，并且使用它作为缓冲层可以在蓝宝石衬底上生长高质量的使用它作为缓冲层可以在蓝宝石衬底上生长高质量的AlxGa1-xN化合物层，应用前景不可估量。
28、化合物层，应用前景不可估量。使用使用AlxGa1-xN材料可以制作多种类型的探测器，材料可以制作多种类型的探测器，比如光电导型、肖特基型光生伏特型、比如光电导型、肖特基型光生伏特型、p-n结型和结型和p-i-n型、金属型、金属-半导体半导体-金属（金属（MSM）型等。）型等。其中，其中，MSM型结构因为制作工艺和结构简单，不型结构因为制作工艺和结构简单，不需要进行需要进行p型沉积，成为制作短波光探测器件极具型沉积，成为制作短波光探测器件极具吸引力的材料。并且，吸引力的材料。并且，MSM结构容易做成欧姆接结构容易做成欧姆接触，噪音低而且更加灵敏，工作也服从光生伏特触，噪音低而且更加灵敏，工作也服
29、从光生伏特学。学。因此，因此，AlxGa1-xN MSM型紫外光探测器是一种极型紫外光探测器是一种极具发展潜力的器件。具发展潜力的器件。/10.5 GaN和和GaAlN材料的生长技术材料的生长技术分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,缩缩写写MBE)是制备半导体多层超薄单晶薄膜的是制备半导体多层超薄单晶薄膜的外延技术，现己扩展到金属、绝缘介质等外延技术，现己扩展到金属、绝缘介质等多种材料体系，成为现代外延生长技术的多种材料体系，成为现代外延生长技术的重要组成部分，对当今微电子、光电子技重要组成部分，对当今微电子、光电子技术的发展起着重要的推动作用。术的发展起着重要
30、的推动作用。目前，生长目前，生长GaN类材料的分子束外延技术类材料的分子束外延技术有两种方法有两种方法:气源分子束外延气源分子束外延(GSMBE)和金和金属有机分子束外延属有机分子束外延(MOMBE)。（1）气源分子束外延。该法直接以）气源分子束外延。该法直接以Ga或或Al的分子束作为的分子束作为III族源，以族源，以NH3作为氮源，在作为氮源，在衬底表面反应生成氮化物。衬底表面反应生成氮化物。采用该方法可以在较低的温度下实现采用该方法可以在较低的温度下实现GaN生长。生长。但在低温下但在低温下NH3的裂解率低，与的裂解率低，与III族金属的族金属的反应速率较慢，导致生成物分子的可动性反应速率
31、较慢，导致生成物分子的可动性差，晶体质量不高。差，晶体质量不高。（2）金属有机分子束外延。）金属有机分子束外延。该法以该法以Ga或或Al的金属有机物作为的金属有机物作为族源，族源，以等离子体或离子源中产生的束流作为氮以等离子体或离子源中产生的束流作为氮源，在衬底表面反应生成氮化物。采用该源，在衬底表面反应生成氮化物。采用该方法可以实现在较低的温度下实现方法可以实现在较低的温度下实现GaN生生长，而且采用这种方法解决了长，而且采用这种方法解决了NH3在低温时在低温时裂解率低的问题，可以得到好的晶体质量。裂解率低的问题，可以得到好的晶体质量。MBE的过程是加热的组元的原子束或分子束入射到加热的的过
32、程是加热的组元的原子束或分子束入射到加热的衬底表面，与衬底表面进行反应的过程如图衬底表面，与衬底表面进行反应的过程如图10-8，其步骤，其步骤包括包括:(1)组元原子或分子吸附在衬底表面；组元原子或分子吸附在衬底表面；(2)吸附的分子吸附的分子在表面迁移和离解为原子；在表面迁移和离解为原子；(3)该原子与近衬底的原子结合，该原子与近衬底的原子结合，成核并外延成单晶薄膜；成核并外延成单晶薄膜；(4)在高温下部分吸附在衬底薄膜在高温下部分吸附在衬底薄膜上的原子脱附。上的原子脱附。有机金属化学气相沉积（简称有机金属化学气相沉积（简称MOCVD）是一种利用）是一种利用有机金属化合物的热分解反应进行气相
33、外延生长薄膜有机金属化合物的热分解反应进行气相外延生长薄膜的的CVD技术。技术。这种技术目前主要用于化合物半导体的气相生长。这种技术目前主要用于化合物半导体的气相生长。这种方法生长薄膜时的温度低，减小了因温度变化过这种方法生长薄膜时的温度低，减小了因温度变化过大造成的应力，并减少了高温在宽禁带材料中产生的大造成的应力，并减少了高温在宽禁带材料中产生的无辐射跃迁中心。无辐射跃迁中心。但这种方法也有其缺点：因为反应温度低，有些金属但这种方法也有其缺点：因为反应温度低，有些金属有机化合物在气相输运中就发生反应，生成的固体微有机化合物在气相输运中就发生反应，生成的固体微粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的
34、杂质颗粒，破坏粒再沉积到衬底表面，形成薄膜中的杂质颗粒，破坏薄膜的完整性。要解决这个问题，引入了低压薄膜的完整性。要解决这个问题，引入了低压MOCVD。低压。低压MOCVD是是MOCVD的一种，工作压的一种，工作压力一般在（力一般在（15）104Pa。为生长为生长Al0.3Ga0.7N，采用，采用Al(CH3)3（即（即TMA）作为气相铝）作为气相铝源，采用源，采用Ga(CH3)3（即（即TMG）作为气相镓源，）作为气相镓源，NH3（氨气）（氨气）作为氮源，使用氢气作为载气。反应方程式如下：作为氮源，使用氢气作为载气。反应方程式如下：Al(CH3)3+Ga(CH3)3+NH3-Al0.3Ga0
35、.7N+CH4Ga(CH3)3+NH3-GaN+CH4Al(CH3)3+NH3-AlN+CH4低压有机金属化学气相沉积的设备简图如图低压有机金属化学气相沉积的设备简图如图10-10所示所示(气气相镓源在图中以相镓源在图中以TMG表示，气相铝源在图中以表示，气相铝源在图中以TMA表示，表示，氨气源在图中以氨气源在图中以NH3表示表示)。图10-10 低压MOCVD示意图图10-9 AlGaN/GaN异质结结构实践表明：实践表明：Al0.3Ga0.7N/GaN异质结之间的异质结之间的AlN夹层有夹层有助于减少助于减少Al0.3Ga0.7N和和GaN外延层之间由热运动和晶外延层之间由热运动和晶格失配
36、造成的瑕玷。格失配造成的瑕玷。10.7 紫外成像器件的基本结构紫外成像器件的基本结构GaN基紫外探测器的结构主要有光电导型、基紫外探测器的结构主要有光电导型、光伏型；光伏型；光伏型中又分光伏型中又分PN结型、结型、PIN型、肖特基结型、肖特基结型、型、MSM型、异质结型等。型、异质结型等。10.7.1 p-i-n结构紫外探测器结构紫外探测器在蓝宝石基底上制造的在蓝宝石基底上制造的GaN p-i-n紫外探测器展现了良好的特性。紫外探测器展现了良好的特性。GaN同质结同质结pin紫外探测元紫外探测元的典型结构如图的典型结构如图10-13所示。所示。光光从从p型型(pGaN）侧侧入入射射，调调整整其
37、其厚厚度度使使光光在在p型型层层被被完完全全吸吸收收，或或者在者在p层和层和i型层两层中被完全吸收。型层两层中被完全吸收。p、i、n层的厚度选择各有所不同，层的厚度选择各有所不同，典型的为典型的为0.51 m厚的厚的n-GaN:Si层；层；0.1 0.8 m厚的厚的i-GaN层；层；200nm的的p-GaN。异质结结构的异质结结构的pin紫外探测器紫外探测器p-AlGaNi-GaNn-GaN pin 异质结结构。异质结结构。同同GaN同质结同质结pin结构相比，除了用结构相比，除了用p-AlGaN代替代替原来的原来的p-GaN外，其它与外，其它与GaN同质结同质结pin结构相同结构相同.p-i
38、-n光电探测器的电流光电探测器的电流-电压曲线和光谱响应曲线电压曲线和光谱响应曲线 实线为实线为 p-AlGaN/i-GaN/n-GaN p-i-n器件的结果；器件的结果；虚线为虚线为 p-GaN/i-GaN/n-GaN p-i-n器件的结果器件的结果为使为使p-i-n器件具有高的时间响应速度，其结构器件具有高的时间响应速度，其结构设计应尽量使光在耗尽区吸收设计应尽量使光在耗尽区吸收,p层的厚度要较层的厚度要较小。小。在不是太高的偏压下，随反向偏压的增加，不仅在不是太高的偏压下，随反向偏压的增加，不仅响应率提高，而且响应速度也提高，这是因为随响应率提高，而且响应速度也提高，这是因为随偏压增加，
39、耗尽区加宽，降低了结电容，因而有偏压增加，耗尽区加宽，降低了结电容，因而有较小的较小的RC时间常数，小的可达时间常数，小的可达12ns。由于由于p-i-n结构对结构对(Al)GaN材料质量的高要材料质量的高要求以及与求以及与p-(Al)GaN欧姆接触的制备困难，欧姆接触的制备困难，肖特基势垒结构的紫外探测器引起人们的肖特基势垒结构的紫外探测器引起人们的极大关注。极大关注。10.7.2 金属金属/GaN肖特基势垒结构肖特基势垒结构一般地，一般地，nGaN与多种金属如与多种金属如Au、Pd、Pt、Ni等接触可等接触可形成肖特基势垒（形成肖特基势垒（SB），其典型势垒结构如图。），其典型势垒结构如图
40、。n+-GaN（n=31018cm-3）是为了良好的欧姆接触，）是为了良好的欧姆接触，n-GaN层层(n3101611017cm-3)是激活层。是激活层。高可靠的金属高可靠的金属半导体接触半导体接触(起欧姆接触和肖特基起欧姆接触和肖特基势垒作用势垒作用)是肖特基器件制备中的关键工艺和重要是肖特基器件制备中的关键工艺和重要组成部分，对器件性能有重要影响。组成部分，对器件性能有重要影响。与与GaN欧姆接触的金属一般常选用欧姆接触的金属一般常选用TiAl、TiAlAu或或TiAlPtAu等，在电子束蒸发后用热等，在电子束蒸发后用热退火炉在退火炉在N2气氛中合金退火，可获得低至气氛中合金退火，可获得低
41、至106量量级的接触电阻率。级的接触电阻率。而肖特基接触金属一般比较薄（而肖特基接触金属一般比较薄（580nm)，以形，以形成半透明的光敏面，提高器件响应率。成半透明的光敏面，提高器件响应率。金属金属GaN肖特基势垒光探测器中，肖特基势垒光探测器中，GaN层层的吸收系数较大，器件效率主要受限于肖特基的吸收系数较大，器件效率主要受限于肖特基接触层的透过率，半透明的金属层吸收系数小、接触层的透过率，半透明的金属层吸收系数小、反射系数大，并且表面粗糙，这降低了器件的反射系数大，并且表面粗糙，这降低了器件的量子效率。量子效率。10.7.3 ITOn-GaN肖特基势垒结构肖特基势垒结构ITO（锡掺杂氧化
42、铟）是一种重简并宽带隙（锡掺杂氧化铟）是一种重简并宽带隙(3.54.3eV)n型半导体，具有很高的载流子浓度型半导体，具有很高的载流子浓度(11020 cm-3-11021cm-3)和较低的电阻率和较低的电阻率(10-4.cm)，在可见光范围有很高的光透射比，在可见光范围有很高的光透射比(85%)，有类似金属的导电性质，因此，在发光，有类似金属的导电性质，因此，在发光二极管，太阳能电池、液晶显示等光电器件中得二极管，太阳能电池、液晶显示等光电器件中得到广泛应用。到广泛应用。ITO薄膜在波长小于薄膜在波长小于400nm时吸收较小，使得时吸收较小，使得ITO可以在可以在GaN层上用作低紫外吸收的肖
43、特基接触材层上用作低紫外吸收的肖特基接触材料。与金属料。与金属GaN肖特基势垒器件相比，肖特基势垒器件相比，ITOn-GaN可见光盲的肖特基势垒器件展现了良好的特可见光盲的肖特基势垒器件展现了良好的特性。性。其光谱量子效率和响应率曲线如图所示。在其光谱量子效率和响应率曲线如图所示。在ITOn-GaN 324nm肖特基势垒结构有肖特基势垒结构有47的峰值量子的峰值量子效率。效率。在在350nm有有0.13A/W的峰值响应率，其的峰值响应率，其UV/可见可见光对比度超过光对比度超过3个数量级。个数量级。Au/n-GaN和和ITOn-GaN肖特基势垒器件的肖特基势垒器件的光谱量子效率和响应率曲线光谱
44、量子效率和响应率曲线 10.7.4 金属半导体金属半导体金属金属(MSM)紫外探紫外探测器测器 MSM紫外探测器以其制造简单和易于单片集成，紫外探测器以其制造简单和易于单片集成，成为紫外探测应用中吸引人的一种选择。成为紫外探测应用中吸引人的一种选择。典型的典型的MSM器件结构器件结构,在兰宝石衬底上用在兰宝石衬底上用MOCVD生长生长AlN缓冲层、缓冲层、GaN基半导体光激活层，在激活层上沉积指栅状基半导体光激活层，在激活层上沉积指栅状电极并电极并形成肖特基接触形成肖特基接触。为钝化表面悬挂键有效减少泄露电流，降低光反射损失以为钝化表面悬挂键有效减少泄露电流，降低光反射损失以提高量子效率，外延
45、生长提高量子效率，外延生长GaN基激活层需要经过基激活层需要经过HF酸浸酸浸洗，用洗，用PECVD（等离子体化学气相沉积）沉积钝化、减（等离子体化学气相沉积）沉积钝化、减反反SiO2层。层。金属金属-半导体半导体-金属光电探测器本质上是一个背对背串连的两金属光电探测器本质上是一个背对背串连的两支金属支金属-半导体接触二极管。半导体接触二极管。均匀掺杂半导体的两面各形成金属均匀掺杂半导体的两面各形成金属-半导体接触，电极距离半导体接触，电极距离为为L。外加偏压为零时的平衡能带图，其中。外加偏压为零时的平衡能带图，其中n1=n2,VD1=VD2,耗尽层宽度耗尽层宽度W1=W2。当外加偏压时，一个结
46、为正偏置，另一个结为反偏置。当外加电压时（如右当外加偏压时，一个结为正偏置，另一个结为反偏置。当外加电压时（如右方为高，左方为低），这一对背对背的二极管中，方为高，左方为低），这一对背对背的二极管中，1结（左边）为反偏置，结（左边）为反偏置，2结（右边）为正偏置，其耗尽层宽度结（右边）为正偏置，其耗尽层宽度W1和和W2不等。不等。随着外加电压的增加，反偏置的耗尽层宽度随着外加电压的增加，反偏置的耗尽层宽度W1增大，而正偏置的耗尽层增大，而正偏置的耗尽层W2减减小，但是其总的耗尽层宽度逐渐增加。使两耗尽层相接触时，相应的这一电小，但是其总的耗尽层宽度逐渐增加。使两耗尽层相接触时，相应的这一电压称
47、为压称为“穿通电压，穿通电压，VRT”。这时电场和能带图如图所示，。这时电场和能带图如图所示，W1+W2=L，在，在X0点电场点电场E为为0，其左方电场为负方向，右方电场为正方向，这时仅有很小电流。，其左方电场为负方向，右方电场为正方向，这时仅有很小电流。当电压继续增加时，使正电极一边当电压继续增加时，使正电极一边X=L处的能带为平带，处的能带为平带，电场为电场为0。整个器件内全部耗尽，而且电场指向同一个方。整个器件内全部耗尽，而且电场指向同一个方向，从右向左。相应的电压称为向，从右向左。相应的电压称为“平带电压，平带电压，VFB”，其电，其电场分布和能带图如图场分布和能带图如图10-21所示
48、。所示。当电压超过当电压超过VFB时，能带进一步变陡，内部电场增时，能带进一步变陡，内部电场增加，直到在反偏的电极处电场最大点发生雪崩击加，直到在反偏的电极处电场最大点发生雪崩击穿，使电流激增。图穿，使电流激增。图10-22绘出了这一情况的电场绘出了这一情况的电场分布和能带图。所以通常器件工作在平带电压分布和能带图。所以通常器件工作在平带电压VFB与击穿电压与击穿电压VFB之间。之间。GaN和和AlGaN的的MSM紫外光探测器，已经证实具有很低紫外光探测器，已经证实具有很低的暗电流、速度快、噪声低和较高可见光截止，图的暗电流、速度快、噪声低和较高可见光截止，图10-23给出了给出了AlGaN
49、MSM器件的暗电流。器件显示出在器件的暗电流。器件显示出在10V、40V偏压条件下，暗电流分别为偏压条件下，暗电流分别为72pA和和0.15A，Al0.3Ga0.7N MSM器件的暗电流 在在100V偏压下，偏压下，Al0.15Ga0.85N的的MSM光响应和量子效率光响应和量子效率饱和，器件展现出高的可见光截止，紫外可见光截止因饱和，器件展现出高的可见光截止，紫外可见光截止因不同偏压可达不同偏压可达103、104数量级。在数量级。在28V偏压下，偏压下，GaN探测探测器的器的NEP*低于低于17pWHz1/2，AlGaN光电二极管光电二极管NEP*达达24pW/Hz1/2。Al0.15Ga0
50、.85N MSM器件的光谱响应曲线 美国宇航局哥达德空间飞行中心研制的美国宇航局哥达德空间飞行中心研制的MSM结构的结构的256256元元GaN类型面成像阵类型面成像阵列如图列如图10-25。该阵列的每个像元的尺寸为。该阵列的每个像元的尺寸为30m2,它们是借助铟丘焊接到一块读出集它们是借助铟丘焊接到一块读出集成电路上的，该阵列的成品率为成电路上的，该阵列的成品率为90%。从上面工作原理和主要特性的分析，表明从上面工作原理和主要特性的分析，表明p-i-n、肖特基势、肖特基势垒、垒、MSM结构可见光盲的紫外光探测器在性能和应用上各结构可见光盲的紫外光探测器在性能和应用上各具特点。具特点。p-i-