不同電極材料MSM紫外探測器性能研究

李滔,廖俊

(1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽，422000;2.高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室,湖南 邵陽，422000)

紫外光電探測器是一種突出的光電子器件,通用于光纖通信、圖像傳感器、臭氧傳感、輻射泄漏檢測、天文研究和遙控器等[1]。氮化鎵(GaN)是直接寬帶隙半導體,由于其具有高擊穿電壓、高電子遷移率、低暗電流、高化學和熱穩(wěn)定性[2-4]等特點,廣泛應用于紫外探測器件材料。在氮化鎵的材料生長過程中,一般采用藍寶石、Si和SiC等外延生長GaN薄膜[5-6]。為了提高GaN基紫外探測器性能,可使用不同的探測器結構,如p-i-n結構、肖特基結構和MSM結構器件[7]。其中,MSM器件由于結構簡單,簡化了制造工藝,吸引了大多數(shù)研究人員的關注。MSM結構包括背靠背金屬半導體(MS)觸點,其中采用相同金屬電極和不同金屬電極器件，被定義為對稱MSM和非對稱MSM器件結構,比如采用金屬Au和GaN制作的對稱MSM紫外光電探測器具有較高的響應度[8-9]。在GaN上采用不同金屬制作兩邊電極,不同金屬電極與半導體接觸,形成非對稱MSM器件結構,不同金屬具有不同的功函數(shù)(WF),因此，非對稱電極MSM結構器件中會產(chǎn)生內(nèi)置電位梯度,正向偏壓時可以降低肖特基勢壘高度(SBH)和改善電流導通。采用Ni和In作為金屬電極與GaN接觸制作對稱和非對稱MSM器件,通過不同器件性能的比較,得到不同金屬作為電極的紫外探測器光電流、暗電流和光電響應變化規(guī)律,分析器件性能變化規(guī)律的原理,以便為MSM器件紫外探測器性能研究提供理論和實驗基礎。

1 器件制作

如圖1所示為GaN基紫外探測器MSM器件結構示意圖,器件材料襯底采用藍寶石,在藍寶石上沉積一層緩沖層材料(GaN或AlN),然后，在緩沖層材料上繼續(xù)沉積GaN光吸收層,在GaN上制作對稱金屬電極(如圖1(a)所示)和非對稱金屬電極(如圖1(b)所示)。器件具體制作過程為:首先,通過標準的清潔工藝對藍寶石襯底進行化學預清潔,然后在850 ℃下退火以獲得表面原子清潔的藍寶石表面。通過等離子體輔助分子束外延系統(tǒng)在藍寶石襯底上外延生長GaN(0002)膜,該系統(tǒng)配備RF等離子體源以提供活性氮將GaN蒸發(fā)到藍寶石上。為了最小化藍寶石襯底和GaN之間的晶格失配,先在810 ℃下生長一層約100 nm厚的AlN緩沖層,然后在740 ℃下生長非常薄的外延GaN膜(約1 500 nm),RF功率為500 W,氮氣流量為1.5×10-6m3/s。制造金屬電極之前,需化學清洗GaN薄膜以去除表面污染物,以實現(xiàn)低接觸電阻。對稱電極MSM器件的制作只需要采用帶有電極圖案的掩模板對樣品進行光刻,利用光刻膠把叉指電極圖案轉移到樣品表面,然后在室溫下通過磁控濺射(背底真空度為2×10-4Pa,沉積金屬時采用氬氣為載體氣流,氣壓控制在1 Pa,濺射功率為直流60 W,濺射時長30 min)沉積約300 nm厚的Ni(或In,濺射時長10 min)金屬電極。磁控濺射完成后,取出樣品,丙酮溶液浸泡樣品1 min,然后把丙酮溶液和樣品放置在超聲儀器中超聲5～10 s,剝離多余金屬,得到Ni-Ni電極MSM器件和In-In電極MSM器件。對于非對稱電極(Ni-In)器件的制作,需要先進行光刻,得到一邊Ni電極圖案；磁控濺射Ni,剝離后得到Ni電極,再次進行光刻,得到另一邊In電極圖案；然后磁控濺射In,剝離后得到非對稱電極(Ni-In)器件。所使用的掩模板圖案中,電極寬度和間隔均為20 μm。

(a)對稱MSM器件結構

(b)非對稱MSM器件結構

2 器件測試過程及結果分析

器件制作完成后,采用2個壓針分別接觸器件兩邊電極區(qū)域,2個壓針分別連接數(shù)字源表,通過數(shù)字源表在器件一端電極上施加電壓,另一個電極連接數(shù)字源表接地端口,數(shù)字源表可以實現(xiàn)1×10-12A至100 A電流的檢測,通過數(shù)字源表對器件兩端電極施加范圍為-10 V至10 V的掃描電壓,分別對Ni-Ni對稱電極器件、In-In對稱電極器件和Ni-In非對稱電極器件測試得到暗場下I-V(其中，I為電流，V為電壓)、紫外光照射下I-V、開關紫外光源時光響應數(shù)據(jù)。圖2為3個器件暗場I-V數(shù)據(jù),In-In對稱電極器件在正負偏壓下,輸出電流基本對稱,10 V偏壓時,暗電流ID為3.8×10-8A,Ni-Ni對稱電極器件在正負偏壓下,輸出電流也基本對稱；10 V偏壓時,器件暗電流為4.2×10-9A。Ni-In非對稱電極器件在正負偏壓下,輸出電流呈現(xiàn)非對稱變化,在負偏壓時,器件暗電流與Ni-Ni器件的暗電流基本一致,而在正偏壓時,器件暗電流與In-In器件的暗電流基本一致。在正偏壓下,實驗結果顯示MSM器件的暗電流遵循ID(In-In)>ID(Ni-In)>ID(Ni-Ni)。

非對稱電極MSM器件暗電流不具有對稱性,可歸因于不同金屬功函數(shù)差異。對于無意摻雜的GaN薄膜,當GaN費米能級低于半導體的金屬功函數(shù)能級時,金屬與半導體形成歐姆接觸；而當金屬功函數(shù)能級高于半導體費米能級時,金屬將與半導體形成肖特基接觸。在所有合適做電極的金屬中,Ni金屬功函數(shù)為5.1 eV,具有較高的功函數(shù),In的功函數(shù)為4.1 eV,與GaN費米能級接近。半導體與金屬接觸面的肖特基勢壘高度(SBH)可根據(jù)莫特模型計算:

?s=?m-χ

(1)

其中：?s是肖特基結的勢壘高度；?m是金屬的功函數(shù)；χ是半導體的電子親和力(對于GaN,χ=3.8 eV)。這導致Ni-GaN接觸的最高肖特基勢壘理論高度為1.3 eV。而另一種電極金屬In與GaN接觸界面,In-GaN接觸勢壘高度理論為0.3 eV,其接觸勢壘高度明顯小于Ni-GaN接觸勢壘高度。采用Ni金屬和In金屬分別作為不同電極與GaN接觸形成非對稱MSM器件結構,由于不對稱接觸的肖特基勢壘高度差異,導致2個電極之間半導體內(nèi)部形成內(nèi)置電位梯度,這使非對稱MSM器件結構具有增強正向偏壓電流特性(在非對稱器件中,對Ni電極的正偏壓使其向前偏壓,而對In電極的負偏壓使其反向偏壓)。此外,非對稱器件反向偏壓時,暗電流較小?？紤]到在偏置條件下,整個電位降將跨越反向偏置的MS結,導致紫外探測器中暗電流較小。對于3種不同器件,理想光電探測器的暗電流都可以通過公式(2)計算:

(2)

其中：A是器件的曝光區(qū)域面積，cm2；A*是有效Richardson常數(shù)；?b是肖特基勢壘；V是外部施加偏壓；n是理想因子；T是溫度；q是電子的電荷；k是玻爾茲曼常數(shù)。由式(2)可知MSM器件暗電流隨著SBH增加呈指數(shù)衰減,因此,對于具有較低肖特基勢壘的觸點,暗電流將更高。在圖2中,In-In對稱MSM結構(具有用于In MS接觸的最低肖特基勢壘)顯示出最高的暗電流,接著是非對稱電極Ni-In器件和Ni-Ni MSM結構器件。Ni-In MSM結構除了其他2個對稱MSM結構都具有2個MS接觸面之外,GaN內(nèi)部還具有內(nèi)置電場作用,在GaN與金屬電極接觸面已經(jīng)達到費米能級平衡時,內(nèi)部會存在1個阻礙電子和空穴繼續(xù)相向運動的內(nèi)部電場。由于非對稱Ni-In器件中存在1個Ni電極與GaN較高的接觸勢壘,該接觸面處會阻礙暗電流,從而導致非對稱Ni-In器件暗電流小于In-In器件暗電流。此外,當非對稱器件Ni接觸端施加負偏壓時,暗電流受MSM結構中的反向偏置Ni接觸面阻礙,因此,Ni-In器件負偏壓時,暗電流與Ni-N MSM器件暗電流接近。

3種器件光電流IL特性測試結果如圖3所示。從圖3可見：3種器件光電流大基本接近。這是因為光照下GaN材料對光進行吸收,然后產(chǎn)生光生載流子。光生載流子分離后,電子聚集在導帶上,導致肖特基勢壘降低甚至是肖特基勢壘降為0,因此,3種器件的光電流相差不大。在相同電壓下光電流關系如圖3中插圖所示:Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni)。分析其原因,可以解釋為3種器件肖特基勢壘高度引起的變化規(guī)律不一致,同時,也有可能是GaN薄膜生長中存在高缺陷密度(>1×1014cm-2),導致缺陷輔助隧穿電流通過Ni-GaN MS結。

圖4所示為3種MSM器件在13 mW紫外光功率照射下施加8 V偏壓時,開關光源時間間隔為2 s,電流隨時間關系測試結果。對于Ni-In,In-In和Ni-Ni MSM 紫外探測器,10 V偏壓下光響應電流分別為2.6，2.47和2.3 μA。光響應電流遵循Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni),這是因為In-GaN MS結具有較低肖特基勢壘高度,在相同的偏壓下更加容易收集到光生載流子。在測試結果中,Ni-In非對稱MSM結構器件光響應電流比對稱MSM(Ni-Ni)結構光響應電流增強1.4倍,是因為跨越MS結的勢壘電勢差異而導致不對稱金屬接觸中肖特基勢壘高度額外降低。

圖5所示為3種不同器件電極接觸面能帶圖,其接觸勢壘高度是在無外部偏壓時經(jīng)計算所得。圖5中,Ni-GaN MS結肖特基勢壘高度因為Ni具有較高的功函數(shù),因此,高于 In-GaN MS 結肖特基勢壘高度。在紫外光照射時,能量大于或等于 GaN 帶隙(3.4 eV)的光子產(chǎn)生電子空穴對,在施加的偏壓下,這些光生電子和空穴分別通過Ni和In電極收集。在正向偏壓下,反向偏置的In-GaN MS結驅動電流傳輸,其中額外的勢壘降低增強了電荷載流子的收集,這也解釋了非對稱MSM器件在正偏時,其暗電流幾乎與In-In電極器件暗電流接近的原因。

圖2 3種不同金屬電極器件的暗電流Fig.2 Dark current of three different metal electrode devices

圖3 3種不同器件的光電流Fig.3 Photocurrent of three different devices

(a)In-In電極器件；(b)Ni-Ni電極器件；(c)Ni-In電極器件圖4 3種不同器件的光電響應Fig.4 Photoelectric response of three different devices

圖5 3種不同電極器件的接觸勢壘高度示意圖Fig.5 Schematic diagram of the contact barrier height of three different electrode devices

3 結論

由于不同金屬材料具有不同的功函數(shù),與半導體接觸時形成不同的接觸勢壘高度,不同的接觸勢壘高度影響了器件暗電流,在紫外光照下,由于有光生載流子的作用,使得接觸勢壘被降低,從而導致3種不同器件的光電流接近。通過對不同電極材料MSM器件的研究,發(fā)現(xiàn)采用不同的金屬材料做電極可以抑制器件漏電流(暗電流),同時在一定程度上不影響光電流,從而提高紫外探測器靈敏度。