一種肖特基勢壘增強(qiáng)型N?AlGaN基MSM日盲紫外光電探測器

王國勝，謝 峰，王 俊，王唐林，宋 曼，吳浩然，郭 進(jìn)

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088）

一種肖特基勢壘增強(qiáng)型N?AlGaN基MSM日盲紫外光電探測器

王國勝，謝 峰，王 俊，王唐林，宋 曼，吳浩然，郭 進(jìn)

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088）

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6.3×1010cm·Hz1/2/W。

探測器；紫外光電探測器；鋁鎵氮；日盲；肖特基勢壘

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?；贜型摻雜半導(dǎo)體的MSM PD具有可以MESFET實現(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?Al?GaN 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Al?GaN MSM日盲紫外探測器綜合性能良好。

1 實驗

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2.0×1017cm-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，同時也設(shè)計生長了和結(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。

圖1 MSM日盲紫外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖

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Cas?cade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)計結(jié)果保持一致。

圖2 外延結(jié)構(gòu)A的光學(xué)透射譜及其光吸收層的吸收系數(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1.6×10-12A和6.8×10-5A，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～1.2×10-8A和～1.9×10-8A，光電流和對應(yīng)的暗電流之比分別為～2.4×105和～1.0×10（4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。

圖3 器件A和B在室溫下的暗電流和光電流曲線

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，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4 器件A和B的光/暗電流之比

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，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5 器件A在不同偏壓下的光譜響應(yīng)曲線

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S（nf）在0～B范圍內(nèi)進(jìn)行積分得到，如式（1）所示：

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：

最后，探測率可由下面的表達(dá)式給出：

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=1.8×10-11W，D*=7.0×1010cm·Hz1/2/W；NEP= 2.0×10-10W，D*=6.3×1010cm·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]。

圖6 器件A的低頻噪聲譜

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6.3×1010cm·Hz1/2/W。

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N?type AlGaN?based MSM solar?blind ultraviolet photodetectors with enhanced Schottky?barrier

WANG Guo?sheng，XIE Feng，WANG Jun，WANG Tang?lin，SONG Man，WU Hao?ran，GUO Jin
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

An n?type AlGaN?based metal–semiconductor–metal（MSM）solar?blind ultraviolet（UV）photodetector（PD）taking thin high?resistive AlGaN cap layer as Schottky?barrier enhancement layer was developed.Compared with the control PDs without the thin cap layer，dark current of PD with high?resistive AlGaN cap layer is signifcantly small.At the bias voltage of 5 V，dark current of PD with high?resistive AlGaN cap layer is 1.6 pA，its responsivity is 22.5 mA/W，solar?blind/UV rejection ra?tio is more than 103，and detectivity is 6.3×1010cm·Hz1/2/W.

detector；ultraviolet photodetector；AlGaN；solar?blind；Schottky?barrier

TN710?34；O472

A

1004?373X（2015）04?0111?03

王國勝（1984—），男，博士研究生，工程師。主要從事寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件方面的研究工作。

2014?08?15

國家自然科學(xué)基金資助項目（61306089；61307049；61307040）；國家國際科技合作專項資助項目（2013DFE13090）