PIN結(jié)構(gòu)GaN光電探測器性能的研究

1、太陽能光電工程學(xué)院PINGaN課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：PIN結(jié)構(gòu)GaN光電探測器性能的研究名：專業(yè)：光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù)班級：光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù)本科班準(zhǔn)考證號：014411304226設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師：PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究摘要向運(yùn)動(dòng)形成電流。常見的光伏型探測器是pn結(jié)和pin型光電二極管，另一類型是肖特基型光電二極管，其耗盡區(qū)是肖特基原理形成。然而，光電導(dǎo)型探測器要求加偏置，暗電流大，而且速度慢。肖特基型光探測 器被認(rèn)為是速度最快的探測器，但是它的勢壘較低，漏電流比pin型大。由于 耗盡區(qū)窄，而且GaN材料中耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散長度短，肖特基型光探 pini層是

2、為了擴(kuò)展耗盡區(qū)的寬度，增加對光的吸收。關(guān)鍵詞： 氮化鎵探測器PIN飽和電流PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究目錄 HYPERLINK l _TOC_250013 緒言3 HYPERLINK l _TOC_250012 第一章GaN 基pin型探測器4 HYPERLINK l _TOC_250011 pin型探測器工作原理4量子效率及光譜晌應(yīng)6瞬態(tài)響應(yīng)7 HYPERLINK l _TOC_250010 GaN基pin型探測器研究現(xiàn)狀8 HYPERLINK l _TOC_250009 第二章Ga 基pin型紫外探測器的研制10 HYPERLINK l _TOC_250008 GaN基pin

3、型探測器分析10 HYPERLINK l _TOC_250007 GaN材料p詛紫外探測器10 HYPERLINK l _TOC_250006 pin紫外探測器分析10材料生長及器件制作12材料生長12 HYPERLINK l _TOC_250005 版圖設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _TOC_250004 器件制備14 HYPERLINK l _TOC_250003 暗電流15光電流16 HYPERLINK l _TOC_250002 第四章GaN 基pin型紫外探測器高溫電氣性能17不同溫度下IV性能測試及分析17測試系統(tǒng)的建立17測試結(jié)果處理及分析18不同溫度下C-V性能測試及分析1

4、8測試系統(tǒng)的建立18測試結(jié)果處理及分析19 HYPERLINK l _TOC_250001 結(jié)論20 HYPERLINK l _TOC_250000 參考文獻(xiàn)21PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究緒 言PIN結(jié)構(gòu)GaN化紫外光譜監(jiān)測設(shè)備，且能在高溫和惡劣環(huán)境下運(yùn)行。地球上大氣對波長300nm 以T的光是不透明的，利用這一光學(xué)窗口可以實(shí)現(xiàn)太陽盲區(qū)紫外探測。在過去幾年中，PIN結(jié)構(gòu)GaN光電探測器取得較大進(jìn)展。但是真正太陽盲區(qū)高速、高靈敏度、低噪聲GaN探測器尚未實(shí)現(xiàn)。對探測波長在280nm以下的紫外輻射，尚需高質(zhì)量、高A壤1分的A1：G3lxN合金材料。對于pD結(jié)型系列，在高Al 組分的

5、A1。Ga卜xN合金材料中實(shí)現(xiàn)高摻雜將面臨新的挑戰(zhàn)。對GaN及其三元合金中電子空穴的電離系數(shù)尚不清楚，理論計(jì)算缺乏可靠的數(shù)據(jù)。GaN材料的完整能帶結(jié)構(gòu)和其中的深能級起源和特性等許多理論問題有待于進(jìn)一步研究探索。盡管如此，GaN基光電探測器已經(jīng)展示出美好的前景，不久的將來，寬帶隙半導(dǎo)體太陽盲區(qū)探測器將在半導(dǎo)體工業(yè)中占據(jù)重要的位置，在軍用民用紫外探測、預(yù)警、天際及地空通信和紫外弱光成像系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究第一章GaN基pin型探測器1.1 pin 型探測器工作原理最早出現(xiàn)的光電二極管如圖2-1pn結(jié)二極2l所示。在入射光的作用之下，在圖中所示的吸收

6、區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對，吸收n 結(jié)光電二極管不適合于高頻應(yīng)用。收區(qū)盡量一致。然而，增大反向偏壓是很有限的，最好的方法是減少N區(qū)的摻 雜濃度，使該區(qū)幾乎達(dá)到本征半導(dǎo)體的狀況，這就是下面將要介紹的pin光電探測器。即在P區(qū)和N區(qū)之間以輕摻雜施主雜質(zhì)形成近乎本征(I)區(qū)。圖2，2表示了pin光探測器的原理結(jié)構(gòu)和其內(nèi)的電場分布。pIpII多 N扇耗盡區(qū)耗盡區(qū)1哏收區(qū)l圖 2-2 pin 光探測器的原理結(jié)構(gòu)和電場分布s(JS, “I 60:;8.85xlO“FIm, 6r式中選(21)為比例常數(shù)(對硅取占，=117)，A擇s，和形，可使結(jié)電容c達(dá)到lpF。而如果有良好的歐姆接觸和選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，RC時(shí)

7、間常數(shù)將不會成為響應(yīng)速度的限制因素。nl- r0 - xp門）倉“ow1倉l 04cm-L ,(2 2). l心與入射光功率P之比值。響應(yīng)度通過入射光子的能量與波PI N 結(jié)構(gòu)GaN 光電探測器性能的研究R=沖IP=qt,I加h ， v 長入 如 1.24 / ;l (e V)時(shí)，因，響應(yīng)度的一個(gè)方便的表達(dá)式是，R =nM(2-4)瞬態(tài)響應(yīng)光電二極管的響應(yīng)速度依賴千電路的時(shí)間常數(shù)以及載流予從產(chǎn)生到收集的 RC時(shí)間常數(shù)， 是二極管負(fù)載電阻與光電二極管電容的乘積。對高速檢測而 奮， 二極管的負(fù)載電阻常常是50Q。 為獲得最小的電極管的結(jié)電容簡單地表示rCr=eAl W，其中s是半導(dǎo)體的介電常數(shù)（對

8、大多數(shù)化合物半導(dǎo)體言，其紅130典型值為占而A是結(jié)面積減小結(jié)電容要求在允許接收所有的入射光的前提下， 采用最小的結(jié)面積。限制結(jié)面積可以有幾種方法，其中兩種最普通的方法有臺面結(jié)構(gòu)和平面結(jié)的P型頂層入射。偏壓條件下使寬的i 層全部耗盡要求i 層對凈施主濃度為NDy禮Jq礦的i層，單邊結(jié)的耗盡寬度為，上式中V是反向偏置電vb i 是結(jié)的內(nèi)建電壓。若光電二極管的Nnml O e m 21am, 直徑為l pF, 對50 Q的負(fù)載電阻， RC時(shí)間常數(shù)為50ps。載流子在光電二極管內(nèi)的總渡越時(shí)間，包括耗盡區(qū)內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在外加電場的作用下漂移通過耗盡區(qū)的時(shí)間，以及在耗盡區(qū)外激發(fā)產(chǎn)生的光生載PIN

9、結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究107cms因此，在上述W=29m的例子中，耗盡區(qū)的渡越時(shí)間為20ps。GaNpin型探測器研究現(xiàn)狀近來大多數(shù)研究工作都聚焦在實(shí)現(xiàn)pinpin測器是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)有其內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn):(1)由于較高的勢壘形成較低的暗電流。(2)m作速度高。高阻抗適于FPA(Foca!plane array)讀出電路。(5)器件可以在低偏壓下工作。對于這類紫外探測器，有兩種工作模式(1)光伏模式(零偏置)，(2)光導(dǎo)模式 然而光導(dǎo)模式下器件有最快的響應(yīng)速度。圖23為器件結(jié)構(gòu)和原理圖。要制作出高性能的pin型紫外探測器，關(guān)鍵是增加光的透射率，因此選用半透明金屬做歐姆接觸，并且減薄P層的厚

10、度，減少對光的吸收，有時(shí)為了增加 A1相對較高的p型GaN來替代pin探測器的P層常采用寬禁帶AIGaN，避免光穿過它時(shí)在p區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光生載流子。為了保證高的響應(yīng)速度，pin結(jié)深不應(yīng)超過吸收系數(shù)的倒數(shù)。要制作短截止波長的器件，需要制作高鋁組分的AIGaN材料，D，Walkerl2PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究叫等人制作了A1組分大于70的器件，其結(jié)構(gòu)為P層A1GaN：M92000埃，i層2000 um的0V232nm截止波長處，光譜響應(yīng)度為W，在5V偏壓下為011AW，從IV特性上得到在10V反偏壓下，其漏電流密度為400 u Acm2。由于Mg摻雜的效率比較低，因此采用在A1GaN

11、：Mg層上又生長了50埃的5V偏壓下響應(yīng)度為O12AW。因此在加上帽層后其響應(yīng)度稍有改善。PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究第二章Ga基pin型紫外探測器的研制GaNpin型探測器分析GaNp詛紫外探測器在藍(lán)寶石基底上制造的正面照射GaN和AIGaN pin紫外探測器展現(xiàn)了良好的特性，一骰的pin結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石基底C平面采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD) 或分子束外延(MBE)A1N來制作緩沖GaN用Si摻雜的方法得到n型TiAu制作rlpin紫外探測器分析光從P（-GaN或p-AIGaN)PP-AIGaNiGaNn-GaN(AIGaNGaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)同GaNp-AtGaN代替

12、原來的GaN型AIGaN層對i-GaN結(jié)深不應(yīng)超過吸收系數(shù)的倒數(shù)。由于GaN在365nm處的吸收系數(shù)約為105cm，相應(yīng)得光穿透深度少于100nm。這是設(shè)計(jì)pin各層厚度的依據(jù)之一.Pin層的厚度選擇各有不同典型的為pm厚的）（）（流電壓曲線0引8。;ga0-al。勸。1口4ol 面 面 Wg38a GaN:M A心，A- 叩s油回el-團(tuán)3-5蝕娃構(gòu)光探測器結(jié)構(gòu)示意圖版圖設(shè)計(jì)本文制備的pin器件的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，下面介紹一下本文所設(shè)計(jì)的版圖圖形。繪圖所用的軟件為Ledit830版。這套版總共有三塊分版。PI N 結(jié)構(gòu)GaN 光電探測器性能的研究第二版： 光刻n電極第三： 光刻P電極圖-，

13、(0 0叮1圖 3 ? 光刻n 電極( O300 il m)PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究器件制備制作pin器件的常規(guī)后工藝流程如下： (1)蒸發(fā)Ni2000，襯底溫度1200C刻臺階(光刻、腐蝕Ni、腐蝕AIGaN、去膠、去Ni)，n型GaN層(采用圖3-6版)光刻n電極(采用圖37版)(4)蒸發(fā)TiAINiAu(3001500500500)襯底溫度800C (5)退火(爐溫850 oC，保持30秒，保護(hù)氣體為氬氣1(6)光刻P電極(7)蒸發(fā)NiAu(3002000)襯底溫度80。C(8)退火(爐溫660 oC，保持90秒，保護(hù)氣體為氮?dú)?PIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研

14、究第三章GaN 基pin型紫外探測器性能測試3.1 暗電流本章首先對制各的GaN紫外探測器樣品進(jìn)行無光照時(shí)的l-V器件的暗電流。測試采用Agilent 4155C半導(dǎo)體參數(shù)測試儀，如圖4-142電流為1.03mA)40V時(shí)反向漏電流依然很小20V時(shí)反向漏電流為10V 時(shí)反向漏電流為O.639nA。, DO芒四 干 OOE O 心43e 遠(yuǎn) 氓 均 ，43心正j EOOlil4.llOE氓冷凸b 中 而 口 da化currentO咚6,O E心中OOE中3月OECl(III3,屯0歸3 吵 EO OO1的 片 00阜心DEDrw;,中(1,ll! r I , ” “ ”“”“”識4 0 l1)1

15、). 。氏 正歸ge(V)。圖 4.3 0V- 5V 反偏壓下明暗電點(diǎn)對比 4Q1. 4Q16,COa!E-OO莊 沁 Em 1 .5 年 00凸 如 血 中 “ ent 口 da 歡口丿 ent 公1. “ E00e吁屯喻L1 玄 E. OO51OOE3畸i百1l酕 妞gi9OE妞 9lQ Il29Q叩20.00巨的 0 卜Lllll” “ l1 I”- “III2芯0 0E-OOO9OOE. OOO馮凸 E引沁2 中 Eel” “ 1“ ” “ 血 I l l I -O E+ 10el4Reverse Vo歸 geN)4圖 4-4 OV 10V反偏壓下明凡 暗電流對比從圖43和圖4-4可知

16、，暗電流在反偏I(xiàn)OV、5V時(shí)分別為0.638nA和O.127hA。光電流在反偏10V、5V時(shí)分別為16.06nA和6.739nA。反偏明、暗電流之比在反偏10V、5V時(shí)分鄹為25.17和53.06PI N 結(jié)構(gòu)GaN 光電探測器性能的研究第四章GaN基pin 紫外探測器高溫電氣性能性能測試及分析4. 1. 1 測試系統(tǒng)的建立實(shí)驗(yàn)采用的樣品是圖51 所示的pi n結(jié)構(gòu)的器件試了其中兩個(gè)器件。采用HP4155 C, Eur ot hc r rn 8 08爐。圖 5-1 待測祥品俯視圖探針臺（裝有加熱爐探針臺上為待拽潠件）探針臺（裝有加熱爐探針臺上為待拽潠件）Ebllot比rm 808野 4155C

17、 電流量電 壓特性測試系統(tǒng)示意即(， ，fra5lon11001109訂0.II口gUBQ.0mL巴與 1 llDl0 010OOOBt 王OO 內(nèi)OOOEi”“它”“9凸丘3“ OO 0 中，o 口0 “01CO OOOO 在為n:3斗e干白F ofll 咧 心如叩 N圖 沁 O心 嚴(yán) 光電探視器的主溫時(shí)的正問電沉電壓特性-;一二三一.千一歹上恤，曠- -:- :- -叩 a - - -：.寧-10二-1-11-b-丁“，1 1 1 1-r,1 I ，,，1,1 I ，,，1 1oLdl.s2D己功心！如K -1圖 5.S G議 嚴(yán)結(jié)隧詔度變化時(shí)的飽和電流C-V性能測試及分析測試系統(tǒng)的建立采

18、用的設(shè)備為HP4280A 1MHz C METERCV PLOTTER，探針臺，808PI N 結(jié)構(gòu)GaN 光電探測器性能的研究EE11r葉如 m 3叩5.11 電東塊圖4. 2. 2 測試結(jié)果處理及分析圖2是測得的室溫的電容一13為I / C。V曲線近似為直線， 表明結(jié)為線性緩變結(jié)。所以按線性緩變結(jié)的公式來計(jì)算雜質(zhì)濃度梯度和內(nèi)電勢差。雜質(zhì)濃度梯度ai12心溝qd(l心dV(5- 7)A內(nèi) 建電勢差Vo A(5 -8)1.2 忒忒j )d(心）d V計(jì)算得到雜質(zhì)濃度梯度和內(nèi)建電勢差分別為1#, 1. 98E+22cm- 4。3. 85V2#, 2. 25E+22cm-4. 3. 76VPIN 結(jié)構(gòu) GaN 光電探測器性能的研究結(jié)論早在50年代，人們即開始了對紫外探測技術(shù)的研究。紫外探測技術(shù)是繼紅GaN材料在365nm(具有很尖的截止響應(yīng)特性，因而降低了對濾波器的要求，這使得GaN基的光探測I復(fù)(Solar的特性。本文測試了pin型紫外探測器的正反向電流電壓特性和紫外光譜響應(yīng)曲線。經(jīng)過測量分析，得出如下結(jié)論：A1GaNGaN同質(zhì)結(jié)四層結(jié)構(gòu)的pirl型紫外探測器在室溫下具有約的正向?qū)妷?電流為103mA)。反向暗電流在反偏10V、5V時(shí)分別為O638nA和O127nA(3)反向明電流在反偏10V、5V時(shí)