图形化蓝宝石衬底掺杂渐变GaN肖特基紫外探测器

由于较大的禁带宽度、光吸收系数及高热稳定性等优越的材料特性，Ⅲ族氮化物半导体，如氮化镓（GaN），非常适合制备高性能的紫外探测器。GaN基紫外探测器在军事、通信与医学等领域都有非常巨大的应用潜力，例如导弹预警与跟踪、高密性紫外通信、病理诊断与食品安全监测等，因此研究高性能的GaN基紫外探测器对国防和民用都有重要意义。目前，各种结构的GaN基紫外探测器被研发出来，包括金属-半导体-金属结构、肖特基结构及p-i-n结构紫外探测器等。而众多类型的探测器中，肖特基型探测器由于具有工艺简单、暗电流低、响应度高、无需ｐ型掺杂等突出特点，引起国内外学者的重视。由于价格竞争优势，大多数GaN基紫外光探测器仍然制备在蓝宝石衬底上，然而标准蓝宝石衬底（SSS）与GaN外延材料之间存在较大的晶格热失配，薄膜内部往往含有较大的位错密度，容易导致较大的反向漏电流密度，增加器件的背景噪音和降低光电转化效率。目前，一种有效改善GaN晶体质量的方法是在图形化蓝宝石衬底（PSS）上生长外延层。除此以外，为了进一步提高欧姆电极对光生载流子的收集能力及限制其向衬底的泄漏，设计具有掺杂浓度梯度的GaN外延层，利用内建电场对电子的作用提高器件的光电效率是可采纳的手段之一。鉴于此，本文设计并制备了PSS上具有掺杂渐变的GaN肖特基型紫外探测器，并对其光电性能参数进行了表征。

1. 实验
图1（a）所示为本文研究制备的GaN肖特基型紫外探测器的横截面示意图，其外延结构是通过低压金属有机物化学气相淀积法生长在PSS上的，具体包括：2µm的非故意掺杂GaN层；0.4µm的轻掺杂n型GaN：Si层（Nd~0.78×10¹⁸cm^-³）；0.4µm的n型掺杂GaN；Si掺杂层（Nd~1.5×10¹⁸cm^-3）；1µm的n+型掺杂GaN∶Si接触层（Nd~3×10¹⁸cm^-3）；0.4µm的非故意掺杂GaN层。器件制作的第一个步骤是形成台面，使用光刻技术定义台面形状，并用感应耦合等离子体技术刻蚀出一个深度为500nm的台阶，随后在热KOH溶液（0.1M，100℃）中浸泡5min，减少刻蚀导致的侧壁损伤；接着利用电子束蒸发和剥离技术在台面区域制备一个Ti/Al/Ti/Au（10/70/10/100nm）的接触层，在750℃的氮气环境中退火1min后形成欧姆接触；在器件的顶部制备一个Ni/Au（2.5/2.5nm）的半透明肖特基接触；最后，利用等离子体增强化学气相沉积法蒸镀200nm厚的SiO2作为钝化保护层。器件有效尺寸为340µm×340µm。图1（b）所示分别为PSS和SSS上相同外延结构（102）面的一化摇摆曲线，可见前者的摇摆曲线半高宽（303arcsec）明显小于后者（384arcsec），表明采用PSS后薄膜内的螺位错和刃位错得到有效减小，提高了薄膜质量。

图1　(a)器件横截面示意图；(b)PSS和SSS上外延结构102面的摇摆曲线

本实验使用Keithley4200半导体参数分析仪对器件进行电学测试，500W氙灯作为光源，通过光栅光谱仪输出单色光，使用Si基标准探测器S1226-5BQ）对入射光功率进行标定。利用斩波器调制输出光，通过低噪声电流放大器（SR570）对电流信号进行放大，利用示波器监测响应信号。

2. 讨论与结果
图2所示为在无光和360nm紫外光照下的变温I-V特性曲线。无光情况下，所有曲线都表现出典型的整流行为，这主要是由于器件具有较高的肖特基势垒决定的。在室温下，器件表现出极低的反向暗电流，在-5V偏压下的电流密度仅为~1.30×10^-8A/cm²，这主要得益于PSS上的GaN薄膜中较低的位错密度和较高的晶体质量。反向暗电流对温度存在依赖关系，无法采用经典的肖特基理论解释，可能是由于高温下GaN薄膜中与缺陷有关的漏电通道被激活导致的。正向低偏压下（＜1.5V），电流曲线表现出较为明显的温度依赖关系。可通过经验公式I=I0exp（qV/nkT）对数据进行拟合得理想因子（n）来判断电流输运机制，即当n=1时，扩散电流占优势；n=2时，复合电流占优势；当n介于1和2之间时，复合电流与扩散电流起共同主要作用；当ｎ＞2时，隧穿电流开始显著。在30、90及150℃温度下，获得的理想因子分别为2.67、1.88和1.71，表明随着温度升高，电流输运由隧穿占主导逐渐转变为扩散复合共同作用。在更高正向偏压下，电流曲线开始向下弯曲，这表明器件的体电阻效应变得显著。360nm紫外光照射下，器件的光电流比暗电流增加了6个量级（V=-1V），并且随温度升高几乎不变，表明温度对光生载流子的复合速率的影响基本可以忽略。

图2　器件在无光情况和360nm紫外光照下的变温I-V特性曲线

图3(a)和(b)为在室温和150℃高温下测得的器件光谱响应特性，其中纵坐标响应度Rλ定义为1W某波长入射光所形成的光电流大小，可表示为

式中，η是量子效率，ｈ是普朗克常数，ｃ是光速，ｑ是单位电荷，λ是入射光的波长。可见，器件在360nm处响应度获得最大值，室温和150℃下分别为~0.147A/W和~0.140A/W。在360~370nm之间存在明显的截止边，这与GaN材料的禁带宽度（~3.4eV）相对应。定义360nm和450nm的响应度之比为紫外/可见抑制比。在零偏压情况下室温和150℃的抑制比分别为4 200和3 500。在更深的250~360nm波段，响应度基本不随偏压发生改变，这表明掺杂渐变所形成的内建电场对载流子的收集能力起主要作用。图3(c)和(d)所示分别为室温和150℃下器件在250~450nm波段所对应的量子效率，可以发现，温度和偏压对量子效率的影响并不明显，在360nm处具有最大外量子效率~50.7%。甚至在更深的250~350nm波段，器件的平均量子效率仍然大于40%。

图3　(a)室温下和(b)150℃高温下，器件反向偏压下的响应度；(c)室温下和(d)150℃高温下器件的量子效率

探测器的瞬态响应由开启时间和关闭时间两部分组成。开启时间定义为响应曲线上升沿10%到90%所需要的时间，关闭时间定义为下降沿峰值的90%到10%的所需时间。图4(a)所示曲线为器件在反向偏压下的瞬态响应。根据测试结果，随着反向电压的增大，器件的瞬态响应时间变化不大，平均开启和关闭时间常数分别为115µs和120µs。图4(b)所示分别为温度为30、90和150℃时，-2.5V电压所测得的器件瞬态响应。由图可知，高温下平均开启时间和关闭时间常数为118µs和123µs，与前面的结果非常接近。探测器的耗尽区电阻约为34MΩ，势垒电容约为4.1pF，因此认为RC延迟为限制器件瞬态响应的主要原因。注意，SR570低噪音前置电流放大器的自身充放电时间常数约为8µs，远小于所测的瞬态响应时间常数，忽略不计。

图4　(a)室温下，器件在反向偏压下的瞬态响应；(b)30、90及150℃时，器件在-2.5V电压下的瞬态响应

探测器的噪声特性是衡量其性能的重要参数之一，决定了探测器可探测的最小辐射强度和信噪比。噪声有很多种，包括产生复合噪声、散粒噪声、1/f噪声和热噪声等，其中热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，是一种广泛存在于任何具有电阻性质的材料中的噪声。探测器在0V时主要受热噪声限制，其探测率可作为器件探测率上限，由如下公式可以算得

式中，Ａ为器件面积，Rλ0是零偏压下的最大响应度约为0.147A/W，R0是零偏压下的微分电阻。通过拟合0V电压附近的I-V曲线，可得其数值约为2.7×10¹²Ω。将以上数值带入上式，得到探测率为5.5×10¹³cm·Hz^1/2/W。

3. 结论
为了改善在传统SSS上制备的GaN肖特基型探测器的性能，本文研制了一种基于PSS的具有掺杂渐变的GaN肖特基型紫外探测器，并对其光电性能参数进行了测试。该探测器获得了低暗电流密度~1.3×10^-8A/cm²（V=-5V），高响应度~0.147A/W，高外量子效率~50.7%，测试了器件的瞬态响应，平均开启时间和关闭时间分别为115µs和120µs，热噪声对应的器件极限探测器率约为5.5×10¹³cm·Hz^1/2/W。与传统器件相比，性能参数得到一定提升，这主要是得益于生长在PSS上的GaN晶体质量的改善及掺杂渐变下的内建电场对光生载流子收集效率的提高。

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