一種肖特基勢壘增強(qiáng)型N?AlGaN基MSM日盲紫外光電探測器

摘 要： 研制一種以薄的高阻AlGaN覆蓋層作為肖特基勢壘增強(qiáng)層的N?AlGaN基金屬?半導(dǎo)體?金屬（MSM）日盲紫外光電探測器。與無覆蓋層的參考器件相比，覆蓋高阻AlGaN層后探測器的暗電流大幅度減小。在5 V偏壓下，覆蓋高阻AlGaN層的光電探測器的暗電流為1.6 pA，響應(yīng)度為22.5 mA/W，日盲紫外抑制比大于103，探測率為6.3×1010 cm·Hz1/2/W。

關(guān)鍵詞： 探測器； 紫外光電探測器； 鋁鎵氮； 日盲； 肖特基勢壘

中圖分類號： TN710?34； O472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0111?03

0 引 言

AlGaN半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的物理化學(xué)特性、逐漸成熟的材料生長技術(shù)和可覆蓋日盲紫外區(qū)的直接帶隙（3.4～6.2 eV），是制作日盲紫外探測器的理想材料。

日盲紫外探測器在導(dǎo)彈制導(dǎo)與預(yù)警、火焰預(yù)警、化學(xué)/生物傳感以及太陽天文學(xué)研究等民用和軍用領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景[1]。目前，各種結(jié)構(gòu)的AlGaN基日盲紫外光電探測器已有大量報(bào)道，其中包括了光電導(dǎo)探測器[2]，金屬?半導(dǎo)體?金屬（MSM）探測器[3?4]，肖特基勢壘型探測器[5]，P?I?N結(jié)探測器[6]。MSM結(jié)構(gòu)的光電探測器制作簡單、響應(yīng)速度快，與FET制作工藝兼容，是人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。基于N型摻雜半導(dǎo)體的MSM PD具有可以MESFET實(shí)現(xiàn)單片集成的潛在優(yōu)勢，然而，迄今為止，還未見有高性能N?AlGaN 基MSM日盲紫外光電探測器文獻(xiàn)報(bào)道。

這主要是由于在藍(lán)寶石襯底上獲得高質(zhì)量高Al組分N型AlGaN外延材料還很困難[7]，因此制備的N?AlGaN MSM結(jié)構(gòu)日盲紫外探測器的有效肖特基接觸勢壘通常較低，導(dǎo)致器件暗電流較高，嚴(yán)重限制了器件性能。在過去的研究中，關(guān)于提高（Al）GaN基肖特基勢壘型紫外探測器性能的方法已有報(bào)道，例如，通過在器件結(jié)構(gòu)中插入能帶更寬的覆蓋層或絕緣介質(zhì)層的方法提高器件的有效肖特基接觸勢壘[8?9]。

本文研制了基于藍(lán)寶石襯底的N型AlGaN MSM日盲紫外光電探測器，針對該器件首次提出了一種用與光吸收層的晶格完全匹配的高阻AlGAN覆蓋層提高有效肖特基勢壘高度的結(jié)構(gòu)。

無覆蓋層結(jié)構(gòu)的參考器件相比，這種結(jié)構(gòu)的器件的暗電流得到了顯著降低。研制的勢壘增強(qiáng)型N型AlGaN MSM日盲紫外探測器綜合性能良好。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 AlGaN薄膜制備

本文使用的外延片由MOCVD方法在2 in的雙面拋光的藍(lán)寶石襯底上生長獲得。器件外延結(jié)構(gòu)包括（結(jié)構(gòu)A）：用來克服后續(xù)外延層中張應(yīng)力的0.3 μm高溫AlN緩沖層，0.3 μm硅摻雜（約為2.0×1017 cm-3）N?Al0.4Ga0.6N光吸收層和20 nm的Al0.4Ga0.6N高阻覆蓋層。AlGaN外延層的生長溫度為1 100 ℃，Ⅲ/Ⅴ比約為1 000，腔體壓力控制在100 mtorr。為了進(jìn)行器件性能的對比研究，同時(shí)也設(shè)計(jì)生長了和結(jié)構(gòu)A相比僅無高阻覆蓋層的器件外延結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)B）。本文采用Lambda 950 UV?VIS?NIR分光光度計(jì)測量分析AlGaN外延結(jié)構(gòu)的透射譜。

1.2 器件的制備與測試

外延結(jié)構(gòu)A和B的器件制作采用的是標(biāo)準(zhǔn)的光刻和剝離技術(shù)，器件的有效源區(qū)面積為0.16 mm2。制作過程如下：首先，在外延片表面采用電子束蒸發(fā)和光刻技術(shù)淀積和定義了Ni/Au（7 nm/7 nm）半透明的叉指電極層，叉指狀電極的指寬為10 μm，指長為400 μm，指間距為10 μm。然后，淀積了Ti/Au（20 nm/120 nm）Pad層。圖1給出器件A的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)A）示意圖和完成制作后所拍攝的器件正面照片。

器件制備完成后，利用Keithley 2636A源表測量了器件在黑暗和光照情況下的I?V特性。在器件的光譜響應(yīng)特性測量過程中，選用的光源是500 W的氙燈，氙燈發(fā)出的光通過單色儀輸出單色光經(jīng)過光纖直接照射在器件的光接收面，光功率由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Si基光電二極管標(biāo)定。器件的噪聲特性測過程為：將待測器件置于Cascade探針臺的樣品室中后，選用多級可調(diào)干電池組密封盒作為低噪聲電源來驅(qū)動(dòng)電路，器件的電流噪聲經(jīng)低噪聲電流前置放大器（SR570）放大后，通過頻譜分析儀（SR785）測得被測噪聲信號在一定頻帶內(nèi)的均方根值。

2 結(jié)果與討論

圖2給出的是結(jié)構(gòu)A在200～600 nm波段范圍內(nèi)的光學(xué)透射譜。由于完全被光吸收層吸收掉，波長小于280 nm的光透射率幾乎為零。透射曲線在長波長范圍內(nèi)展示出了陡峭的截止和清晰的干涉震蕩，這表明外延結(jié)構(gòu)具有良好的一致性和較好的界面質(zhì)量[10]。基于透射譜計(jì)算出AlGaN薄膜的吸收系數(shù)α后，可得到如圖2中（αhν）2和入射光的光子能量hν變化關(guān)系曲線，從該曲線推算出AlGaN薄膜的直接帶隙約為4.4 eV，這與設(shè)計(jì)結(jié)果保持一致。

吸收系數(shù)和光子能量hν的關(guān)系曲線

圖3為器件A和器件B在室溫下的暗電流和光電流曲線。在0～5 V的偏壓范圍內(nèi)，器件A的暗電流小于2 pA， 而器件B的暗電流最高達(dá)到了10 μA量級。在5 V的偏壓下，器件A和B的暗電流分別為1.6×10-12 A和6.8×10-5 A，器件B的暗電流是器件A的～4×107倍。另外，圖3中，器件A在入射光波長為254 nm、光功率為5.8 μW/mm2光照條件下測得的電流在0.1 V和5 V偏壓下分別為～1.2×10-8 A和～1.9×10-8 A，光電流和對應(yīng)的暗電流之比分別為～2.4×105和～1.0×104（光/暗電流之比的曲線見圖4），其中，光電流為器件在光照條件下和黑暗條件下的電流值之差。

而器件B在同樣光照和偏壓條件下測得的電流僅略高于暗電流，在0.1～5 V偏壓范圍內(nèi)，光電流和對應(yīng)的暗電流之比在一個(gè)量級以下（光/暗電流之比的曲線見圖4）。和器件B相比，器件A的暗電流大幅度減小和光電流暗電流之比顯著改善應(yīng)歸功于高阻AlGaN覆蓋層設(shè)計(jì)，該覆蓋層鈍化了器件的光吸收層表面，增加了有效勢壘高度[11?12]。

圖5為器件A的光響應(yīng)特性曲線。器件的光響應(yīng)截止陡峭，截止發(fā)生在～280 nm處，與透射譜的測量結(jié)果一致。在5 V以內(nèi)的偏壓下，日盲紫外抑制比超過103。這里，把270 nm的響應(yīng)度與365 nm的響應(yīng)度的比值定義為日盲紫外抑制比。當(dāng)偏置電壓從2 V增加到5 V時(shí)，270 nm處的峰響應(yīng)度從～13.8 mA/W增加到～22.5 mA/W。隨著偏壓的增加，外量子效率增加的主要原因是電場逐漸增強(qiáng)后光生載流子的收集效率會逐漸提高[12]。

圖6為器件A的低頻噪聲譜。測得的噪聲功率和頻率f的關(guān)系在1～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)滿足[1f]關(guān)系，表明在一定的偏壓下器件的低頻噪聲主要是[1f]噪聲。研究指出，基于（Al）GaN寬帶隙半導(dǎo)體的器件的[1f]噪聲和和材料中有陷阱效應(yīng)的缺陷能級有關(guān)[13]。

在一定的帶寬（B）范圍內(nèi)，噪聲電流可通過對噪聲功率密度Sn（f）在0～B范圍內(nèi)進(jìn)行積分得到，如式（1）所示：

[i2n=0BSnfdf=01Snfdf+1BSnfdf =S0ln B+1] （1）

式中：噪聲功率密度在0～1范圍內(nèi)的值為常數(shù)S0。于是，噪聲等效功率NEP可有下式得出：

[NEP=i2nRλ] （2）

最后，探測率可由下面的表達(dá)式給出：

[D*=ABNEP] （3）

式中：A為器件面積。已知器件A面積為A = 0.16 mm2，對波長為270 nm的光的響應(yīng)度在2 V和5 V的偏壓下分別為Rλ≈13.8 mA/W和Rλ≈22.5 mA/W，結(jié)合式（2）、式（3）以及噪聲測量結(jié)果可以求得在給定帶寬B=1 kHz下該器件的噪聲等效功率和探測率在2 V和5 V的偏壓下分別為：NEP=1.8×10-11 W，D*=7.0×1010 cm·Hz1/2/W；NEP=2.0×10-10 W，D*=6.3×1010 cm·Hz1/2/W。器件的探測率在一定偏壓下與過去的一些典型的（Al）GaN基光電探測器相當(dāng)[14]。

3 結(jié) 語

本文研制了一種以薄的高阻AlGaN覆蓋層作為勢壘增強(qiáng)層的N?AlGaN基MSM日盲紫外光電探測器。覆蓋高阻AlGaN層后的光電探測器和傳統(tǒng)的無覆蓋層的參考器件相比其暗電流得到了顯著改善。研制的肖特基勢壘增強(qiáng)型日盲紫外光電探測器具有良好的綜合性能，在5 V偏壓下，其暗電流為1.6 pA，響應(yīng)度為22.5 mA/W，日盲紫外抑制比超過1×103，探測率為6.3×1010 cm·Hz1/2/W。

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