氮化镓基p-i-n结构紫外探测器研究与应用

摘要

在电磁辐射波谱中紫外线辐射的波长范围为10～400nm。紫外辐射具有与可见光和红外辐射完全不同的特性，紫外辐射的应用正在成为人们继红外辐射之后的又一个研究热点。在紫外天文学、火灾探测、紫外线通讯、紫外线制导、紫外线告警等民用和军用领域，紫外辐射的应用已经显露出诱人的前景。 紫外探测器是所有的紫外线应用都必需的重要器件，分为电真空紫外探测器和半导体固态紫外探测器两类，其中由半导体材料制成的固态紫外探测器具有低功耗、不需光学滤波器等诸多优点。目前常用的半导体固态紫外探测由硅材料制成，常温下硅材料的禁带宽度只有1.12eV，将其应用于探测紫外辐射需要光学滤波器，这会带来诸多负面影响。 近年来人们探索将宽带隙半导体材料应用于紫外辐射的探测，主要是Ⅲ族氮化物，包括AlN、GaN、InN及其三元合金。纤锌矿结构的AlN、GaN、InN都为直接带隙半导体，其禁带宽度分别为6.2eV、3.4eV和1.9eV，他们的三元固溶体合金体系对应的波长覆盖了从红外到远紫外光的范围。 目前，Ⅲ族氮化物的在半导体器件方面的应用，还存在材料生长、掺杂、欧姆接触等方面问题，有待研究解决。 本文就GaN基材料应用于制备p-i-n结构紫外探测器进行了研究，主要工作如下： 1、通过对p-i-n结构光电探测器工作原理的理论分析，结合GaN材料特性，综合p-i-n光电探测器各性能指标间的相互制约关系，提出了优化设计GaN基p-i-n结构紫外探测器的方法。 2、对用RMBE生长的GaN外延材料进行了显微结构分析、PL谱测量、霍尔测量，保证了本论文所采用的RMBE生长的GaN外延材料可以用于光电探测器件的制备。在对其中一块材料的PL谱测量时观测到了标志Ga空位的黄光峰，并避免了这块材料用于制备探测器。 3、对n-GaN的欧姆接触及其温度稳定性进行了研究。优化了具有最低欧姆接触电阻率的Ti/Al/Ni/Au(30nm/150 nm/50 nm/50nm)金属化系统，其室温下的电阻率为30.6×10<'-7>Ω cm<'2>提出了温度稳定性较好的Cr/Au/Ni/Au(20nto/40hm/60hm/50hm)金属化系统，在室温下电阻率为2.63×10<'-4>Ωcm<'2>，300℃时的电阻率为6.5×10<'-4>Ωcm<'2>。其优化的退火条件均为N<,2>环境中，850℃，30秒。 4、对p-GaN的欧姆接触金属进行不同淀积方法和不同退火条件的研究。提出了p-GaN欧姆接触用电子束蒸发形成的Ni/Au(20hm/20hm)双层金属结构，室温下电阻率为3.6×10<'-2>Ωcm<'2>。提出将二次退火工艺应用于p-GaN欧姆接触制备工艺中。退火条件为N<,2>:O<,2>=2L/min：0.5L/min气氛环境，预退火温度450℃，时间300秒；再退火温度520℃，时间300秒。 5、设计并制备了两种纵向结构，两种横向结构共四种p-i-n型紫外光探测器，对其中两种大入光面积的样品进行了不同温度下的I-V特性测量与分析。对其中以GeuN材料作i层的紫外探测器，计算得到室温下理想因子为2.09，随温度升高，理想因子先大后小，在300℃时理想因子为1.28，在100℃时有最大值2.135；当样品通过1mA电流时其正向压降的温度系数：0～300℃为-1.97mV/℃，-223℃～-23℃为-1.76mV/℃。 6、提出双注入模型适用于研究以GaN这样的宽禁带材料作i层的p-i-n结构的电流电压关系，并根据双注入模型计算得到i区的深能级激活能为0.1343eV。 7、通过测量不同温度下的C-V特性，发现在高温段，结电容随温度升高而增大；首次发现低温段结电容与温度关系的新现象，并作出了适当解释。通过C-V关系数据计算得到50℃时内建电势差为2.72V。 8、对研制的以GaN材料作i层的紫外探测器进行的光电特性测量表明，反偏电压5V时，在367nm处获得峰值响应度为0.115A/W，量子效率为38.996，归一化探测度为2.14×10<'11>cmHz<'1/2>W<'-1>，室温下暗电流在反偏电压10V、3V、1V时分别为0.28nA、6.68pA、3.13pA，均处于国内先进水平。 9、对研制的以Al<,0.4>Ga<,0.6>材料作i层的紫外探测器进行的光电特性测量表明，反偏电压5V时，在276nm处获得峰值响应度为0.076A/W，量子效率为34％。以276nm为中心向两边各25nm，响应度均迅速减小两个数量级。将p-i-n结构紫外探测器的峰值响应波长降至280nm以下，实现了GaN基p-i-n结构日盲型紫外探测器。 10、应用本论文制备的紫外探测器设计制作了紫外光功率计，用于检测紫外光刻机光场均匀性，获得满意的实用效果，证明本论文研制的GaN基p-i-n紫外探测器具有实用价值。 紫外辐射的研究与应用一定会像红外辐射的广泛应用一样，在国防与国民经济各个领域发挥重要作用。紫外辐射与探测方面的深入研究将使我们在这一领域处于国际先进水平。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 GaN材料研究进展

1.2 GaN材料的应用

1.3 GaN基紫外光探测器研究概况

1.3.1 GaN基紫外光探测器研究历史

1.3.2光电导探测器

1.3.3肖特基金属-半导体-金属型(MSM)探测器

1.3.4肖特基势垒型光电二极管

1.3.5 P-I-N型光电二极管

1.3.6雪崩光电二极管

1.3.7焦平面阵列

1.4本论文的研究内容和意义

1.5本章小结

第2章GaN基p-i-n结构紫外探测器

2.1 p-i-n型光电探测器原理

2.2光电探测器性能表征

2.2.1量子效率

2.2.2响应度

2.2.3光谱响应

2.2.4响应时间和频率响应

2.2.5噪声等效功率

2.2.6探测度及归一化探测度

2.2.7暗电流

2.3 p-i-n型紫外探测器的优化设计

2.4本章小结

第3章GaN薄膜生长及特性测量

3.1 GaN基材料的基本性质

3.1.1 GaN基材料的晶体结构

3.1.2 GaN基材料的光学特性

3.1.3 GaN基材料的杂质及其掺杂

3.2异质外延的衬底选择

3.2.1蓝宝石衬底

3.2.2碳化硅(SiC)衬底

3.2.3氮化铝(AlN)衬底

3.2.4其它材料

3.2.5本论文所采用的衬底

3.3外延材料生长方法

3.3.1卤化物汽相外延(HVPE)方法

3.3.2金属有机物气相外延(MOCVD)方法

3.3.3分子束外延(MBE)方法

3.3.4缓冲层外延生长技术

3.3.5横向外延生长技术

3.3.6本论文所采用的外延生长技术

3.4 GaN材料特性表征

3.4.1结构特性表征

3.4.2光学特性表征

3.4.3电学特性表征

3.5实验结果与分析

3.6本章小结

第4章GaN基紫外探测器关键单项工艺

4.1 GaN材料刻蚀方法

4.2 GaN的欧姆接触

4.2.1欧姆接触理论

4.2.2欧姆接触的测量与表征

4.2.3 n-GaN欧姆接触

4.2.4 p-GaN欧姆接触

4.3本章小结

第5章GaN基p-i-n结构紫外探测器制备

5.1材料生长

5.2版图设计

5.3器件制备工艺

5.4电学特性分析

5.4.1室温I-V特性

5.4.2归一化探测度计算

5.4.3 I-V曲线高温段温度特性

5.4.4 I-V曲线低温段温度特性

5.4.5 C-V曲线高温段温度特性

5.4.6 C-V曲线低温段温度特性

5.5光电特性分析

5.5.1光谱响应特性

5.5.2光电响应频率估算

5.6本章小结

第6章GaN基p-i-n紫外探测器应用

6.1 p-i-n型紫外探测器偏置条件

6.2 pA级电流测量电路设计

6.3显示模块设计

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢