1. 实验
实验中使用的样品是在蓝宝石(0001)衬底上采用低压MOCVD方法生长的非故意掺杂的六方相GaN外延层。其生长过程是:使用三甲基镓、高纯氨气、氢气分别作为Ga源、N源和载气首先在550℃下生长一层低温GaN缓冲层，随后在1100℃下生长4μm厚的非掺杂GaN。在制作MSM型探测器时使用标准光刻的方法制作Ni/Au透明电极然后在N2，O2混合气氛下500℃退火形成肖特基接触.最后在Ni/Au上溅射Ti/Al/Ti/Au作为压焊点.探测器的暗电流测试是使用Keithley6430源表。光谱响应测试系统使用的光源为150W氙灯，光经过单色仪分光后再通过斩波器调制，然后照射到探测器上。而探测器与一个取样电阻串联，和外加直流电源一起构成回路。这样用锁相放大器测得取样电阻上的交流同步电压信号实际上就是探测器的响应。
我们在制作MSM型探测器之前先对样品进行了双晶X射线衍射和Hall的测量，从而得到晶体质量及本底载流子浓度。随后测量了样品的室温光致发光(PL)谱以及光伏(PV)谱，分别得到晶体的发光和吸收的性质。
2. 结果和讨论
GaN外延层的晶体质量我们采用双晶X射线衍射仪(DCXRD)测量样品的半高宽(FWHM)来表征。实验中我们取两片典型样品其FWHM分别为:样品A的(0002)和(10—12)为3分；样品B的(0002)为5分，(10—12)为6分。晶体质量都比较好，而A样品略优于B样品。采用Hall测量得到A样品的本底载流子浓度都为5×1015cm-3，而B样品为高阻材料。
在图1(a)中给出了A，B两个样品PL谱的测试结果。可以发现两个样品PL谱除强度相差较大以外光谱形状十分相似。带边峰位置在361nm(3.435eV)左右.同时观察到带隙内367nm(3.379eV)处有明显的发光峰(见图1(a)中插图)，可能是带隙内的缺陷态发光，A样品在带隙内以2.8eV为中心很宽的范围内观察到明显的所谓的黄光带。但B样品由于PL强度较低，黄光带不是很明显。在随后进行的光伏谱测量中我们发现在B样品观察到了明显的带隙内的峰值吸收，位置363.5nm(3.411eV)附近。而A样品有明显的带边吸收，位置在360nm(3.444eV)。如图1(b)所示。
图1 室温下样品A，B的PL谱和PV谱 (a)PL谱；(b)PV谱
我们在感兴趣的B样品上制作了MSM型肖特基探测器.因为MSM型结构实际上是两个背靠背串联的肖特基结，外加偏压时总是一个结为正向偏置另一个结为反向偏置。从暗电流的测量的结果(如图2所示)中可以看出正反向暗电流显示了较好对称性，在5V偏压下暗电流小于10pA。
图2 MSM型探测器的暗电流
测量探测器不同区域的光谱响应，实验中发现随着光斑照射位置的不同，光谱响应曲线有明显的不同。图3表示了在不同温度下光斑分别照射左右两个电极时的光谱响应。从图中可以明显看出光谱响应的区域不一致性。光斑照射反偏结处的响应度比正偏结处的要大一个数量级左右。同时当光斑照射反偏结一侧时光谱响应的截止波长比照在正偏结时的截止波长发生红移。红移的能量约为28meV，且不随温度变化。
图3 不同温度下分别照射左右电极的光谱响应。虚线表示照射反偏结的响应，实线表示照射正偏结的响应
针对以上结果我们讨论激子吸收对MSM型探测器光谱响应的影响。首先分析MSM型肖特基探测器的电场分布。参照图4，在热平衡状态下，金属和半导体的费米能级位于同一水平。Φn为肖特基结的势垒高度，Vb为内建势，W为耗尽区宽度，L是金属电极间总距离。内建电场方向是从半导体指向金属由箭头标出.当外加偏压例如图中所示左侧为负电压、右侧为正电压时，耗尽区宽度及内建电场强度随所加偏压发生变化。根据突变结近似理论，耗尽区宽度和结内最大电场强度分别为
图4 MSM结构的能带示意图(a)热平衡下的能带示意图；(b)外加偏压时的能带及电场示意图
我们知道激子是由于静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对，它是一种电中性的、非导电性的电子激发态。但是当外加电场足够大时，激子能够在强电场作用下解离，形成能够自由运动对导电有贡献的自由载流子。由以上电场分布的分析，当光照在正偏结时，结电场较小而无法分离激子，故激子效应不明显，自由载流子形成的电流为主。同时耗尽区宽度也较小，故响应度很小。当光照反偏结时，结电场能有效离化激子形成光电流，出现明显的激子响应峰.同时耗尽区宽度较大，故响应度也较大。
这样，我们把正向结的响应归结为自由载流子的贡献，那么光谱响应的截止边就是GaN的带边。而反向结的响应含有激子吸收、分离而对光电流产生的贡献，其截止边对应的是激子的能量。而我们知道，激子的束缚能是电子-空穴对间的库仑相互作用，它对温度是不敏感的，这一点从变温光谱响应也得到了证实。也就是说光斑照射正反向结得到的截止边能量差即带隙和激子能量之差，也就是说激子束缚能大约是26meV。
3. 结论
我们对蓝宝石衬底上采用MOCVD方法生长的非故意掺杂GaN外延层进行了室温下的PL谱以及PV谱的测量。在PL谱中没有观察到明显的激子发光信号，但是通过光伏谱的测量从高阻样品中观察到了激子吸收信号。在这些样品上制作的MSM型光伏探测器，其光谱响应显示了区域不一致性即光斑照射反偏结一侧时比照在正偏结一侧得到的光响应度大一个数量级左右，并且截止边波长发生红移。根据MSM结构电场分布的特点，给出如下解释：反偏结处的电场强度大，耗尽区也相对较宽，载流子能够有效分离所以响应度较大。同时在反偏结处由于具有较强的电场，能够将激子有效分离从而对光电流产生贡献，所以截止边是在激子能量对应的位置而不是带边，这两个能量之差即激子的束缚能不随温度变化，大约为28meV。