不同鈍化結(jié)構(gòu)對非極性AlGaN-MSM紫外探測器性能的提升

賈　輝，梁　征，張玉強(qiáng)，石璐珊

(1.公安海警學(xué)院基礎(chǔ)部，浙江寧波　315801;　2.寧波科技信息研究院研究中心，浙江寧波　315040)

1　引　言

紫外探測是繼紅外和激光探測技術(shù)之后，又一種在軍民兩用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的光電探測技術(shù)。在軍事方面，紫外探測技術(shù)可廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、紫外通信技術(shù)對抗、生化武器分析等領(lǐng)域;在民用方面，紫外探測技術(shù)已被用于環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、公安偵查以及皮膚病診斷與治療等領(lǐng)域［1-6］。光電倍增管與硅基紫外光電管［7］是目前比較常用的兩種紫外光電探測器，但是二者需要附帶昂貴復(fù)雜的濾光器而略顯笨重，且靈敏度偏低。第三代寬禁帶半導(dǎo)體(GaN、ZnO［8］、SiC［9］等)的帶隙覆蓋紫外范圍，制作的紫外探測器不僅可以去掉濾光器而便于攜帶，利于探測器的大規(guī)模集成;而且隨著研究的不斷深入，晶體質(zhì)量不斷改善，制作高靈敏度、快速響應(yīng)、低噪聲的紫外探測器成為可能。

作為制備紫外探測器的理想材料，GaN基［10］(InN、GaN、AlN及它們的二元、三元合金)半導(dǎo)體材料屬于直接寬帶隙，其制作的器件具有高內(nèi)量子效率，室溫下只響應(yīng)能量較高的紫外光子，可以不需要濾光系統(tǒng)進(jìn)而排除可見光與紅外的干擾，辨別并探測到紫外信號。尤其是AlGaN半導(dǎo)體材料隨Al含量不斷提高，其帶隙可以從3.4 eV(對應(yīng)波長365 nm)連續(xù)變化到6.2 eV(對應(yīng)波長200 nm)，包含了可見盲紫外與日盲紫外光譜。AlGaN半導(dǎo)體材料具有擊穿電場高、電子飽和速度大、介電常數(shù)小、表面復(fù)合率低的特性，及抗腐蝕、耐高溫等良好的物理化學(xué)特性，可以在高溫、宇航等極端環(huán)境條件下工作［11］。因此，AlGaN半導(dǎo)體材料極適用于制作紫外探測器［5］，無論是在軍事還是民用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前關(guān)于AlGaN紫外探測器的研究主要集中在極性c-AlGaN半導(dǎo)體材料上，但是極性c-AlGaN基器件存在極強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化，這會引起量子限制斯塔克效應(yīng)而限制內(nèi)量子效率的提高。非極性AlGaN器件可以消除極化電場，克服電子與空穴波函數(shù)空間分離的問題，提高電子-空穴輻射復(fù)合效率、減小開啟電壓、增加發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光波長穩(wěn)定(不隨注入電流變化而發(fā)生移動)。而且非極性AlGaN薄膜面內(nèi)具有不對稱晶面進(jìn)而存在光學(xué)各向異性［12-13］，是制作具有偏振敏感性(Polarization sensitive)紫外探測器的絕佳材料，通過偏振敏感性可以實(shí)現(xiàn)窄帶探測，從而提高探測器的整體性能?；谄裥畔⒌奶綔y技術(shù)還能提高目標(biāo)探測和地物識別的準(zhǔn)確度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，比如在地物遙感探測、水下探測、目標(biāo)檢測、大氣探測、天文探測、醫(yī)學(xué)診斷、圖像處理和軍事等領(lǐng)域。

近年來，AlGaN半導(dǎo)體材料在紫外探測領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速，但是制備高質(zhì)量AlGaN外延薄膜(尤其是高Al組分)依然是制約AlGaN半導(dǎo)體材料在紫外探測領(lǐng)域取得突破的瓶頸。非極性AlGaN材料不僅與襯底之間存在較大的各向異性的熱膨脹系數(shù)失配和晶格失配，Al原子比Ga原子具有更小的擴(kuò)散長度和更高的粘附系數(shù)，生長外延材料的前體之間也會發(fā)生寄生的氣相反應(yīng);而且非極性材料相對極性AlGaN生長面內(nèi)吸附原子的遷移長度存在各向異性，即面內(nèi)沿c方向的生長速率與m方向的生長速率不同等原因，使得非極性AlGaN半導(dǎo)體材料的外延生長相對極性AlGaN半導(dǎo)體材料的外延生長更加困難，故關(guān)于在非極性AlGaN外延薄膜上制備偏振敏感性紫外探測器的研究很少。由于大幅提高非極性AlGaN薄膜質(zhì)量過于困難，本文主要研究在非極性AlGaN薄膜表面分別磁控濺射SiO2納米顆粒與SiO2鈍化層實(shí)現(xiàn)對紫外探測器性能的提升。

2　器件制備與表征

2.1　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的制備

實(shí)驗(yàn)中未摻雜的1μm厚的非極性AlGaN薄膜在r面藍(lán)寶石襯底上采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法高溫生長。首先，樣品表面清理:先用有機(jī)溶劑除去表面的臟物，接著用2%的氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕30 s去除雜質(zhì)，然后用高純?nèi)ルx子水(18 MΩ·cm－1)沖洗數(shù)遍，最后用高純氮?dú)獯蹈?然后，樣品鈍化工藝處理:利用磁控濺射在3個相同的清洗好的非極性AlGaN樣品依次磁控濺射SiO2，其中第一個為不處理樣品(None)，第二個樣品磁控濺射SiO2的時間較短形成SiO2納米顆粒(SiO2-NPs)，第三個樣品磁控濺射SiO2的時間較長而形成SiO2鈍化層(SiO2-Ls);最后，制作叉指電極:將經(jīng)過不同鈍化處理的非極性AlGaN樣品置于電子束蒸發(fā)設(shè)備中，在樣品表面依次蒸發(fā)上約30 nm鎳與40 nm金，通過濕法化學(xué)腐蝕與光刻形成電極，之后在500℃的N2氛圍下退火3 min，得到非極性AlGaN-MSM結(jié)構(gòu)的紫外探測器。

2.2　器件的性能及表征

通過掃描電鏡(SEM)表征了非極性AlGaN樣品與器件的表面形貌，并測定了非極性AlGaN樣品的光致發(fā)光(PL)譜;使用計(jì)算機(jī)控制的Keithley 617測試了器件的暗電流特性;并利用光源為150 W的氙燈，經(jīng)過Si探測器定標(biāo)后，通過計(jì)算機(jī)從鎖相放大器讀數(shù)的光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)測量了非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光譜響應(yīng)度，測試偏壓為5 V。

圖1　非極性AlGaN-MSMSEM圖

圖2　非極性AlGaN的光致發(fā)光光譜，插圖為表面形貌。

3　結(jié)果與討論

3.1　樣品與器件的基本特性

非極性AlGaN-MSM紫外探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以清楚看到叉指電極的形狀，沒有發(fā)生粘連現(xiàn)象;探測器的光照面積較大，指間距與指寬分別為6μm與8μm。圖2給出了非極性AlGaN薄膜的光致發(fā)光譜，得到非極性AlGaN薄膜的光致發(fā)光峰出現(xiàn)在300 nm附近，而且出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的帶邊，這主要是由于非極性AlGaN薄膜的晶體質(zhì)量不高，含有大量的位錯而存在各種缺陷能級導(dǎo)致的。圖2插圖為非極性AlGaN薄膜的表面形貌的掃描電鏡圖片(SEM)，表面呈現(xiàn)出條紋狀的粗糙表面形貌，也說明了非極性AlGaN的外延質(zhì)量不高，而且薄膜表面形貌具有一定的取向性。

3.2　探測器的暗電流特性

暗電流是探測器至關(guān)重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，高的暗電流會引起大的噪聲而降低探測器的信噪比。經(jīng)過不同處理的3組非極性AlGaN-MSM紫外探測器在室溫下的I-V特性的對比曲線如圖3所示，隨著偏壓從0增加到25 V，器件的暗電流均顯著増大;沒有經(jīng)過鈍化處理的非極性AlGaNMSM紫外探測器在室溫25 V偏壓的情況下暗電流高達(dá)0.2μA，但是經(jīng)過鈍化處理之后暗電流下降了1～2個數(shù)量級，接近nA量級。這比較接近在6.5 V偏壓下，截止波長為298 nm的極性AlGaN-MSM探測器的暗電流在nA量級的報(bào)道，而與截止波長為250 nm的暗電流已經(jīng)達(dá)到了fA量級［14-15］的國際領(lǐng)先水平相差甚遠(yuǎn)。鈍化處理可以降低探測器的暗電流，從而提高了探測器的這一性能指標(biāo)。在相同偏壓下，通過鈍化處理的探測器的暗電流出現(xiàn)了顯著的下降，探測器的暗電流受偏壓變化的影響也較小;而且SiO2納米顆粒鈍化處理相比SiO2鈍化層處理的探測器的暗電流也出現(xiàn)了明顯的下降，更為穩(wěn)定。高密度的位錯是GaN基探測器的暗電流的主要來源［16］，非極性AlGaN薄膜的晶體質(zhì)量較差，存在更髙的缺陷密度，就造成非極性AlGaN-MSM紫外探測器在室溫下暗電流偏高，同時電極制備工藝的不成熟也是暗電流較大的一個原因。由于材料表面凹陷處也是位錯在非極性AlGaN薄膜表面的終端，根據(jù)能量最低原理材料表面缺陷處能量較低，SiO2也就容易在該位置開始成核沉積，從而使感光面上的位錯被有效鈍化，阻斷了位錯引起的電場空間分布的改變和載流子的傳輸通道，進(jìn)而降低了AlGaN-MSM紫外探測器的暗電流。但是，相對磁控濺射SiO2納米顆粒，SiO2鈍化層磁控的時間較長對非極性AlGaN表面的濺射損傷更大，而且磁控濺射SiO2鈍化層會給非極性AlGaN表面帶來不可控制的氧化反應(yīng)，正是表面的氧化反應(yīng)以及高能離子濺射的損傷，導(dǎo)致材料表面的界面態(tài)密度變大，同時漏電通道也相應(yīng)增加，從而產(chǎn)生更大的表面電流、表面耗盡層或近表面的隧穿電流等［17-18］。這正是磁控濺射SiO2納米顆粒、磁控濺射SiO2鈍化層后的器件暗電流不僅沒有降低反而有所增加的原因。

圖3　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的暗電流曲線

圖4　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光譜響應(yīng)曲線

3.3　探測器的光譜響應(yīng)

圖4給出了5 V偏壓下，非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光響應(yīng)度與入射波長(260～360 nm)之間的關(guān)系即光譜響應(yīng)特性。從圖4中的光譜響應(yīng)曲線得到，探測器的光譜響應(yīng)在300 nm附近出現(xiàn)峰值，對應(yīng)著非極性AlGaN半導(dǎo)體材料的300 nm光致發(fā)光峰。在相同光照的情況下，相對沒有鈍化處理的探測器在280 nm處的響應(yīng)峰值僅為0.825μA/W，磁控濺射了SiO2納米顆粒探測器響應(yīng)峰值達(dá)到0.169 mA/W，而磁控濺射了SiO2鈍化層的探測器的響應(yīng)峰值更是達(dá)到了0.566 mA/W，表明經(jīng)過鈍化處理的探測器比未鈍化處理探測器的峰值響應(yīng)提高了約3個數(shù)量級。如果用280 nm紫外光的光響應(yīng)度與350 nm近可見光的光響應(yīng)度比值作為紫外可見抑制比(Ratio of UV to visible)，則探測器的紫外可見抑制比也由未經(jīng)過鈍化處理探測器的102，增加到經(jīng)過鈍化處理的探測器的105，表現(xiàn)出優(yōu)良的光選擇性。光譜響應(yīng)表明經(jīng)過鈍化處理的探測器顯示出了更高的量子效率和更為優(yōu)良的光譜選擇性。

Herrera等研究指出SiO2納米顆?？梢蕴岣逩aAs電池的量子效率［19］，表明材料表面紋理的散射能提高材料對入射光的吸收。同樣在非極性AlGaN-MSM紫外探測器中也存在這種效應(yīng)，當(dāng)有入射光照射在探測器表面時，入射到AlGaN薄膜層中的光線會在SiO2納米顆粒表面發(fā)生大量散射，散射出的光線會在介質(zhì)中其他的SiO2納米顆粒表面再次發(fā)生散射，從而實(shí)際上增加了光程長度，更多的入射光被吸收;同時SiO2納米顆粒還能起到鈍化表面而降低表面復(fù)合速率的作用，而且鈍化也可以減少兩電極之間的表面缺陷，使光生載流子在輸運(yùn)過程中由于缺陷復(fù)合中心而難以復(fù)合而提高量子效率，基于以上原因SiO2納米顆?？梢栽跊]有影響非極性AlGaN-MSM紫外探測器響應(yīng)速度的前提下提高探測器得光響應(yīng)。SiO2鈍化層不僅起到鈍化的作用，而且SiO2鈍化層在非極性AlGaN表面成膜起到了增透的作用［20-21］，使得更多的入射光進(jìn)入有源吸收區(qū)，其效果遠(yuǎn)優(yōu)于SiO2納米顆粒的散射，進(jìn)而會提高光響應(yīng)，這是SiO2鈍化層提高光響應(yīng)的一個重要原因。更多的界面態(tài)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光電流已經(jīng)被Carrano等報(bào)道［22］，SiO2鈍化層在非極性 AlGaN 表面引入了更多的界面態(tài)，導(dǎo)致更多的光生電子和空穴被兩個電極吸收后提高了光增益，這是SiO2鈍化層可以提高光響應(yīng)的另一個可能原因，具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)　論

本文在MOCVD外延生長的非極性AlGaN外延薄膜上通過磁控濺射SiO2納米顆粒與SiO2鈍化層兩種工藝制作了AlGaN-MSM紫外探測器，并對器件的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明鈍化處理后的Al-GaN-MSM紫外探測器的性能得到了明顯的改善:暗電流下降了1～2個數(shù)量級，響應(yīng)度峰值提升了接近3個數(shù)量級，紫外可見抑制比也由102提高到了105，顯示出優(yōu)良的光譜選擇性和較高的量子效率。