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AlGaN紫外光电导探测器的研究

时间：2011-12-31 22:50:09  来源： 打印本文

AlGaN紫外光电导探测器的研究

2006/7/4/11:7来源：西安电子科技大学微电子研究所作者：王峰祥 郝跃    摘　要：在蓝宝石(0001)衬底上采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长了未掺杂的Al0．15Ga0．85N外延层，并以此为材料制作了光电导探测器，实验发现探测器具有显著的紫外光响应。分析了探测器持续光电导效应(PPC)的产生机理。
 
    关键词：AlGaN；光电导探测器；紫外光；PPC
 
    近年来，GaN及其合金成为人们重点研究的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子漂移饱和速度高以及化学稳定性高等优点，对于抗辐射、耐高温的高频大功率器件以及工作于紫外波段的光探测器件，具有极大的发展空间和广阔的市场。

　　GaN基三元合金AlxGa1-x材料是波长范围连续的直接带隙半导体，随材料Al组分的变化其带隙在3．4～6．2eV之间连续变化，带隙变化对应波长范围为200～365nm，覆盖了地球上大气臭氧层吸收光谱区(230～280nm)，非常适合于制作太阳盲区紫外光探测器。由于大气吸收而造成的太阳盲区现象使得紫外光探测器在导弹跟踪以及预警设备方面应用很广。而光电导探测器具有制作简单、光响应较大的优点，因此，对AlGaN紫外光电导探测器的研究具有重要的意义。

　　本文介绍了利用MOCVD方法在蓝宝石(0001)衬底上生长高质量的未掺杂AlxGa1－xN外延层，并以此为材料制作了AlxGa1－xN紫外光电导探测器，测量了该探测器的I-V特性和紫外光响应特性，分析了探测器中存在的持续光电导效应(PPC)的产生机理。

    1　器件结构与工艺实验

　　实验样品是基于MOCVD方法生长在蓝宝石衬底(0001)上的AlGaN薄膜，分别使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和高纯氨气(NH3)作为Ga源、Al源和N源，高纯H2作为载气。样品具体的制备过程是：在压强150 Torr、温度1100℃下高温处理蓝宝石衬底5min，反应器采用射频电源加热衬底。材料生长过程采用两步法，首先在550℃下生长25nm厚的GaN缓冲层，1030℃下再高温生长AlGaN外延层，利用分光光度计外延层厚度测得为2．1μm。生长外延层的气体流量分别为：NH3为2．1 L/min，TMGa为10mL/min，TMAl为8mL/min，H2为2．3 L/min。X射线衍射实验得出Alx Ga1－xN材料样品的x值为0．148，探测器样品结构如图1所示。

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　　为了提高器件的响应特性，探测器的欧姆接触采用叉指式电极结构，如图2所示。指长82μm，宽2μm，指间距离3μm，每个电极有24条指状接触。为制备出良好的欧姆接触，先对AlGaN外延层进行清洗，使用剥离技术，在AlGaN外延层上溅射30nm的Ti和100nm的Al作为欧姆接触，电极金属化采用50nm的Ti和500nm的Au。

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　　实验光源采用功率约为3mw/cm2的紫外灯管，紫外下对探测器的暗电流以及光生电流进行了测量和记录。

    2　结果分析与讨论

　　X射线衍射实验表明所制备的AlGaN样品为纤锌矿六角结构，并且沿c轴择优取向。因为样品的X射线衍射图谱中只出现(0002)衍射峰。扫描电镜对样品的外部形貌观测结果表明样品的表面光滑，说明材料具有较好的结构特性。

　　利用半导体参数分析仪测量了探测器样品的伏安特性，如图3所示。伏安特性正反向均为线性，表明了制作的探测器电极具有良好的欧姆特性。

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　　为了保证实验结果的正确性，光照前样品在暗室存放足够长的时间。5V偏压下样品的光响应如图4所示。暗电流为15．38mA，光电流为15．91mA，光电流上升驰豫时间为2．71s，下降驰豫时间为4．04s。

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　　从图4可以看出，探测器具有明显的紫外光效应，但光电流下降缓慢，证明该AlGaN探测器存在严重的持续光电导效应(PPC)，此效应增加了光响应时间，使紫外光探测器的性能变坏。为了改善器件的响应特性，探测器光响应动力学以及PPC效应的起源，成为光电导探测器的研究重点。

　　Reddy等人实验认为GaN基材料薄膜中的PPC与黄光带效应可能源于同种缺陷。他们发现，只有具有黄光带效应的样品才出现PPC效应，而引起PPC效应的光子能量阈值是1．6±0．2eV，这正好是黄光带的起始能量值。在1.8～2.2eV之间，光电流随光强单调上升，而此能量宽度与黄光带的宽度正好一致。Chen等人认为引起PPC与黄光带的材料内部缺陷可能是NGa(N反位)。NGa缺陷在不同的带电状态下会发生晶格驰豫现象，这种现象会产生势垒限制光生载流子的复合，从而产生了PPC效应。有结果表明，GaN材料掺杂Ge和Mg后，可以有效地减弱黄光带。该结论与Chen等人的假设相一致，因为Ge和Mg原子可以填充Ga空位，从而减少了NGa的形成。

　　Monroy等人认为PPC现象源于外延层有效导电区的光调制效应。GaN基材料中存在均匀分布的点缺陷，如杂质和空位；在晶格不连续处也存在多种晶格缺陷，如位错和晶粒间界等。无光照平衡状态下，一部分缺陷会处于带电状态，如Ga空位；一部分缺陷会处于不带电的中性状态。紫外光照会使陷阱中的部分束缚电子被离化成为自由电子，降低了陷阱势垒高度，减小了空间电荷区宽度，从儿增加了外延层的有效导电区，所以可以产生很高的电流增益。光照停止后，电子会重新被陷阱中心所俘获，由于势垒的阻挡作用，这个过程很慢，也正是PPC效应的起因。
　　
    我们认为，对于理想情况下无缺陷的AlGaN材料，紫外光照会离化晶格原子外层电子成为自由电子，同时产生等量的空穴，从而产生较大的光生电流，此种情况下并不会产生PPC效应。由于目前生长的AlGaN材料中存在很多的缺陷，陷阱中心能够俘获一种过剩载流子，正是其俘获过程对探测器的光电流衰变产生了重要影响，从而导致了PPC效应。很多报道的MSM结构探测器都存在PPC效应，我们制作成功的另外一种MSM探测器也存在PPC效应，按照上面Monroy等人的理论，MSM结构探测器不应该存在PPC效应。这进一步证明了材料中的缺陷是导致AlGaN紫外光电导探测器PPC效应的原因。

    3　结语

　　本文介绍了利用MOCVD方法在蓝宝石(0001)衬底上生长未掺杂Al0．15Ga0．85N外延层，并以此为材料制作了具有显著紫外光响应的AlGaN光电导探测器，测量了紫外光照下探测器的暗电流、光电流以及光响应驰豫时间，讨论了PPC效应产生的机理，认为材料中的缺陷是导致AlGaN紫外光电导探测器PPC效应的原因。