熱退火對氮鋁鎵MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測器性能的影響

邢大林，趙曼，唐亮，王嘉，李健

(1.吉林市計(jì)量測試技術(shù)研究院，吉林 132013；2.空軍航空大學(xué) 特種專業(yè)系，長春 130022)

紫外光電探測器是短波光電器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。這主要是由于其應(yīng)用范圍非常的廣泛。紫外光電探測器被稱作是21世紀(jì)“電子戰(zhàn)”的重要武器，尤其是在軍用方面紅外探測與反紅外探測的研究較為成熟，更加凸顯了紫外探測器研究的緊迫性以及對國防建設(shè)的重要性。此外在民用方面，它可以被應(yīng)用到火災(zāi)探測、水銀消毒等方面。由于半導(dǎo)體材料研究的較為成熟[1-3]，因而人們采用半導(dǎo)體作為紫外探測器的制備材料。目前，氮鋁鎵(AlxGa1-xN)半導(dǎo)體合金成為了紫外探測器的首選，這主要是因?yàn)锳lxGa1-xN合金薄膜具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)直接帶隙半導(dǎo)體材料。(2)大的帶隙，從 3.4～6.2eV之間連續(xù)變化，覆蓋整個(gè)紫外波段。(3)強(qiáng)的抗輻射性、耐腐蝕性。這些優(yōu)點(diǎn)使AlxGa1-xN合金薄膜更加適合制備復(fù)雜的器件[4-9]。

紫外光電探測器的金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)叉指電極結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)背靠背的 Scottky二極管組成，它具有制作簡單、暗電流小、響應(yīng)度大、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，是目前紫外光電探測器主要采用的結(jié)構(gòu)之一。眾所周知，對薄膜進(jìn)行熱退火處理，可以提高薄膜的晶體質(zhì)量，同樣對二極管器件進(jìn)行熱退火處理可以降低器件的暗電流[10]。因此，本文通過對AlxGa1-xN探測器進(jìn)行熱退火處理的辦法，降低其暗電流并對退火條件下器件的其它參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)分別采用三甲基鎵(TMGa)和三甲基鋁(TMAl)作為Ga源和Al源，載氣選用(99.999%)H2。首先，藍(lán)寶石襯底上生長高質(zhì)量的1m厚度的GaN薄膜，之后生長 A1N緩沖層，生長溫度為1373K，生長時(shí)間約為30s，生長的緩沖層的厚度約為10nm。之后進(jìn)行AlxGa1-xN合金薄膜層生長，引入Ga源和Al源，合金薄膜的生長時(shí)間為1h，其中Ga源和Al源的流量分別為30sccm和8sccm。圖1為AlxGa1-xN合金薄膜生長模型圖，經(jīng)過電子能譜分析得到合金薄膜中 Al的組分為0.25。之后，我們選用高純(99.999%)Au作為金屬電極，通過熱蒸發(fā)的方法制備得到的電極的厚度約為50nm。采用紫外曝光和濕法刻蝕的方法，制備平面的MSM叉指電極結(jié)構(gòu)，電極叉指寬度為5m，電極叉指長為500m，電極叉指間距為5m。

圖1 AlGaN合金薄膜生長模型圖Fig.1 Structure of AlGaN alloy film growth model

器件響應(yīng)度的測試選用 150W 的氙燈作為光源，光源經(jīng)過單色儀和單色儀前的凸透鏡照射到器件上，并通過鎖相放大器提取電壓信號。所有的Al0.25Ga0.75N肖特基結(jié)構(gòu)紫外探測器的測試，都采用標(biāo)準(zhǔn)的Si基紫外光電探測器進(jìn)行標(biāo)定。器件的暗電流則是通過 Keithley 4200型半導(dǎo)體分析儀測試得到。器件的響應(yīng)時(shí)間光源選用脈寬為10ns的266nm Nd-YAG激光器。

2 結(jié)果與討論

退火是提高器件性能一個(gè)強(qiáng)有力的手段，首先可以減少表面態(tài)缺陷密度，降低暗電流，其次也可以改善金屬電極與薄膜的接觸，當(dāng)然同時(shí)也可以提高薄膜的晶體質(zhì)量，釋放掉一定的內(nèi)部應(yīng)力。根據(jù)肖特基勢壘理論，勢壘的高度由接觸金屬電極的功函數(shù)和半導(dǎo)體薄膜的電子親和能的差確定。但一般來說，Al0.25Ga0.75N薄膜表面存在約2nm左右的自然氧化層，而且金屬與半導(dǎo)體的實(shí)際接觸與理論有一定的差別，往往受到溫度、表面態(tài)等因素的影響。根據(jù)J.A.Chisholm[11]等人報(bào)道的結(jié)果，我們在制備金屬接觸電極的時(shí)候，一些Au原子將會以填隙雜質(zhì)形式存在于半導(dǎo)體薄膜當(dāng)中，這必將導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)一些缺陷，致使金屬與半導(dǎo)體的接觸勢壘降低而暗電流偏大。圖2為Al0.25Ga0.75N探測器在管式爐中N2氣氛下退火10min的暗電流I-V曲線，退火的溫度條件分別是： 773，873，973，1073K及室溫條件。

圖2 不同退火溫度下Al0.25Ga0.75N MSM結(jié)構(gòu)紫外光電探測器暗電流I-V特性曲線Fig.2 I-V curves at different annealing temperature of the Al0.25Ga0.75N MSM photodetector in dark

從圖2可知，在退火溫度為973K時(shí)，器件的暗電流最小，20V偏壓下達(dá)到300pA。這說明在一定的溫度條件下，以填隙雜質(zhì)形式存在的Au原子可以從外界獲得足夠的能量，去填充Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的N空位、Al空位或者是Ga空位，在合金薄膜中形成替代式雜質(zhì)。我們知道AlxGa1-xN是一種半導(dǎo)體合金薄膜，間接說明在薄膜中必然存在著一定的電子濃度，絕大多數(shù)研究人員認(rèn)為其導(dǎo)電性是由 N空位造成的。所以我們認(rèn)為薄膜中的填隙Au原子主要用來填充N空位，這樣N空位被替代式雜質(zhì)所取代，所以薄膜中的深能級缺陷將減少，這樣就會在一定程度上提高器件的性能，如降低暗電流，提高電子與空穴的分離效率等。值得一提的是退火溫度達(dá)到1073K時(shí)，器件的暗電流反倒增加。這主要是由于表面的N空位被Au原子填充達(dá)到飽和后，由熱擴(kuò)散進(jìn)入Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的Au原子又將以填隙雜質(zhì)的形式存在，所以使器件的暗電流增加。

圖3 不同退火溫度下器件的響應(yīng)度。插圖為器件在室溫條件下1V偏壓下的響應(yīng)度圖譜Fig.3 The responsivities of the device at different annealing temperature.The inset shows the responsivity spectrum of the device at room temperature

圖3的插圖為器件在室溫1V偏壓下的響應(yīng)度圖譜，可以看到器件響應(yīng)度的最大值為0.07A/W，峰值的波長為308nm。經(jīng)過退火后，可以看到器件的響應(yīng)度明顯的增加。當(dāng)退火溫度為1073K時(shí)，器件在1V偏壓下響應(yīng)度最大值達(dá)到3.25A/W。理論上來說，具有結(jié)型的器件一般是沒有增益現(xiàn)象的。但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)判斷，如果結(jié)效應(yīng)不是特別強(qiáng)，也會出現(xiàn)一定的增益現(xiàn)象。我們首先假定在沒有增益的前提條件下，探測器的極限響應(yīng)度公式可以表示成為[12]：

其中S為器件的叉指間的距離，W為每個(gè)叉指電極的寬度，通過計(jì)算得到 Rlimit值為0.180A/W，而器件在沒有退火測得的響應(yīng)度的值為0.07A/W，所以我們判定器件中存在著一定的增益效應(yīng)。由于Al0.25Ga0.75N薄膜與襯底的晶格結(jié)構(gòu)不匹配，必然在薄膜中存在著一定的缺陷密度，其中就存在著大量的空穴陷阱。而又由于電極與半導(dǎo)體接觸的勢壘內(nèi)電場不足夠高，被俘獲的空穴就會從半導(dǎo)體一側(cè)吸引電子以維持體內(nèi)的電平衡，但又會在內(nèi)電場的作用下被吸引走，而被俘獲的空穴由于有效質(zhì)量較大不會被輕易掃走，并且會不斷的吸引電子，所以器件中會長時(shí)間存在通過電流，直到被俘獲的空穴被吸引的電子中和掉為止，因此這就在一定的程度上延長了空穴的壽命，所以器件中會出現(xiàn)一定的增益現(xiàn)象。

圖4 973K和1073K退火后Al0.25Ga0.75N紫外探測器的響應(yīng)時(shí)間譜。插圖為未退火器件的響應(yīng)時(shí)間譜線Fig.4 Response time spectra of the Al0.25Ga0.75N UV photodetector after 973 and 1073K thermal annealing.The inset shows the response time spectrum of the device without annealing

圖4為973K和1073K退火溫度下器件的響應(yīng)時(shí)間譜線。插圖為1V偏壓下未退火器件的上升時(shí)間為10ns，下降時(shí)間為190ns(10%～90%)。在退火溫度為973K時(shí)，縮短了器件的響應(yīng)時(shí)間，下降時(shí)間為110ns。在退火溫度為1073K時(shí)，下降時(shí)間為2.3s，器件的響應(yīng)時(shí)間被大大的延長，進(jìn)一步說明器件中存在著一定的增益現(xiàn)象。

3 結(jié)論

我們采用MOCVD的方法在Al2O3襯底上制備了MSM結(jié)構(gòu)的Al0.25Ga0.75N紫外光電探測器，并分析了不同退火溫度條件對器件性能的影響。器件在經(jīng)過1073K的溫度退火后，響應(yīng)度得到了一定程度的提高，1V偏壓下在308nm波長處，響應(yīng)度的峰值達(dá)到3.25A/W，器件中存在著增益現(xiàn)象，但響應(yīng)時(shí)間和暗電流都有所增加。但當(dāng)退火溫度為973K時(shí)，器件的暗電流在20V偏壓下為300pA，而下降時(shí)間為110ns，遠(yuǎn)小于1073K退火時(shí)器件的下降時(shí)間2.3s。因此我們的下一步工作目標(biāo)就是既提高器件的響應(yīng)度又提高器件的響應(yīng)時(shí)間。

[1]Irokawa Y，Nakano Y，Ishiko M，et al.GaN enhancement mode metal-oxide semiconductor field effect transistors[J].phys stat sol，2005，2(7)：2668-2671.

[2]Sharma A K，Narayan J，Muth J F，et al.Optical and structural properties of epitaxial MgxZn1-xO alloys[J].Appl Phys Lett1999，75(21)：3327-3329.

[3]Kim S，Kang B S，Ren F，et al.Contacts to p-type ZnMgO[J].Appl Phys Lett，2004，81(11)：1904-1906.

[4]Mcclintock R，Yasan A，Mayes K，et al.High quantum efficiency AlGaN solar-blind p-i-n photodiodes[J].Appl Phys Lett，2004，84(8)：1248-1250.

[5]Tarsa E J，Kozodoy P，Ibbetson J，et al.Solar-blind Al-GaN-based inverted heterostructure photodiodes[J].Appl Phys Lett，2000，77(3)：316-318.

[6]LI Y L，SCHUBERT E F，GRAFF J W，et al.Low-resistance ohmic contacts to p-type GaN[J].Appl Phys Lett，2000，76(19)：2728-2730.

[7]SONGJ O，KWAKJ S，PARKY，et al.Ohmic and degradation mechanisms of Ag contacts on p-type GaN[J].Appl Phys Lett，2005，86(6)：062104(3pp).

[8]ZHAO Z M，JIANG R L，CHEN P，et al.Metal-semiconductor-metal GaN ultraviolet photodetectors on Si(111)[J].Appl Phys Lett，2000，77(3)：444-456.

[9]Kata O，Bahir G，Salzman J.Persistent photocurrent and surface trapping in GaN Schottky ultraviolet detectors[J].Appl Phys Lett，2004，84(20)：4092-4094.

[10]Sawada T，Ito Y，Imai K，et al.Electrical properties of metal/GaN and SiO2/GaN interfaces and effects of thermal annealing[J].Appl Surf Sci，2000，159：449-455.

[11]ChisholmJ A，Bristowe P D.Formation energies ofmetal impurities in GaN[J].Computational Materials Science，2001，2(1)：73-77.

[12]Duboz J Y，Reverchon J L，Adam D，et al.Submicron metal-semiconductor-metal ultraviolet detectors based on AlGaN grown on silicon：results and simulation[J].J Appl Phys，2002，92(9)：5602-5604.