PIN 紫外光电探测器的研制
黄 瑾, 洪灵愿, 刘宝林, 张保平
( 厦门大学物理系,福建厦门361005)
摘 要: 用Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为PIN 探测器的有源层,研制出Al InGaN
PIN 紫外探测器。详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试。测
试结果表明,器件的正向开启电压约为1. 5 V ,反向击穿电压大于40 V ;室温- 5 V 偏压下,暗电流
为33 pA ,350 nm 处峰值响应度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %。
关键词: Al InGaN/ GaN ; PIN 光电探测器; 紫外光电探测器
中图分类号: TN304 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 5868 (2008) 05 - 0669 - 04
Development on Al InGaN/ Ga N PIN Ultraviolet Photodetectors
HUAN GJ in , HON G Ling2yuan , L IU Bao2lin , ZHAN G Bao2ping
(Dept. of Physics , Xiamen University , Xiamen 361005 , CHN)
Abstract : Using Al InGaN instead of Al GaN as t he source film of a p hotodetector s , an
Al InGaN2based PIN UV p hotodetector was developed. It s device st ruct ure and fabrication
processing are int roduced in detail . Measurement result s show t hat it s t urn2on voltage is about
1. 5 V , and VBR > 40 V ; under - 5 V bias voltage at room temperat ure , t he dark current is about
33 pA ; t he peak responsivity can reach 0. 163 A/ W at 350 nm , and t he quant um efficiency is
58 %.
Key words : Al InGaN/ GaN ; PIN p hotodetector ; ult raviolet p hotodetector
1 引言
GaN 基三元合金Al x Ga1 - x N 材料是波长范围
连续的直接带隙半导体,随材料Al 组分的变化其
带隙在3. 4～6. 2 V 连续变化,带隙变化对应波长范
围为200～365 nm ,覆盖了地球上大气臭氧层吸收
光谱区(230～280 nm) ,是制作太阳盲区紫外光探
测器的理想材料。Al GaN 基宽禁带半导体探测器
作为新一代紫外探测器[1 ] ,在军事和民用上都有重
要的应用,受到国内外的广泛重视。
目前,Al GaN/ GaN 材料和器件结构仍存在诸
多有待解决的问题: (1) 作为有源区的Al GaN 与作
为衬底的GaN 材料之间晶格失配,导致外延层位错
密度较高和紫外探测器的暗电流较大; (2) p 型掺
杂Mg 的激活能很大,其激活率很低,p 型Al GaN
材料带隙宽、功函数高,空穴浓度低,从而难于获得
良好的金属与p 型半导体接触(欧姆接触) ; (3) 结构
的优化设计,例如减少表面光反射率,优化有源层厚
度,提高器件的量子效率,从而提高其光响应度等。
针对这些困难,我们提出了以下几个改进措施:
(1 ) 用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的i 层;
(2) 在p 型Al InGaN 材料上再生长一层p 型GaN
材料,用于提高与金属接触层的半导体的空穴浓度,
有利于形成良好的欧姆接触; (3) 采用Ni/ Au 双层
作为p 电极,形成了良好的金属与半导体欧姆接触。
本文通过对Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的
研究,详细介绍了其结构设计和制作工艺,以及其器
件的测试结果。
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2 问题分析和解决方案
目前,紫外光电探测器一般采用Al GaN/ GaN
结构。随着Al GaN 中的Al 组分增加及响应波长的
减小,Al GaN 和GaN 之间的晶格失配变大,应力增
大,大大限制了Al GaN/ GaN 结构的器件性能,特别
是其暗电流和响应度。但是,Al InGaN 四元合金的
禁带宽度Eg 和晶格常数却可以独立变化,使我们
有可能调整禁带宽度到所需要的数值,同时保持较
低的位错密度,从而降低暗电流。图1 中的虚线代
表了晶格常数与GaN 一致的Al InGaN 的禁带宽度
的变化范围,如果用Al InGaN 四元合金做有源区,
就可以解决晶格失配所带来的问题。
四元合金Al x Iny GazN 晶格常数a 随组分的变
化关系可表示为[ 3 ]
aAl x In y Ga zN = xaAlN + yaInN + zaGaN (1)
式中, x + y + z = 1 。Al x Iny GazN 带隙随组分的变
化关系可表示为[ 4 ]
Q( x , y , z) = xy T12
1 - x + y
2 + yz T23
1 - y + z
2 +
xz T13
1 - x + z
2 / ( xy + yz + xz ) (2)
式中, Tij (α) =αB j + (1 - α) Bi + bijα(1 - α) , i , j =
1 ,2 ,3 分别代表AlN , InN ,GaN ,B 代表二元合金的
禁带宽度, b 代表三元合金的弯曲系数, b12 = - 5 ;
b23 = - 4. 5 ; b13 = - 1 。
图1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度与晶格常数的
关系
如果aAl x In y Ga zN = aGaN , 即Al InGaN 与GaN 晶
格匹配。把表1 的各项参数带入式(1) ,得到x ∶y
= 4. 47 ∶1 。那么,与GaN 晶格匹配的Al InGaN 的
禁带宽度范围从3. 39 eV ( GaN ) 到4. 67 eV
(Al0. 817 In0. 183N) ,相应的波长从365 nm ( GaN) 到
266 nm (Al0. 817 In0. 183 N) 。这一波段正好处于日盲
区域,是紫外光探测器的理想探测波段。
表1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度和晶格常数[ 2]
参数GaN AlN InN
a/ nm 0. 318 9 0. 311 2 0. 353 3
c/ nm 0. 518 6 0. 498 2 0. 569 3
Eg / eV 3. 39 6. 20 1. 90
3 实验结果及分析
3. 1 样品结构生长及材料性能
本研究使用中国科学院半导体所用MOCVD
系统生长的Al InGaN 材料。样品A 是我们研制
PIN 型紫外光电探测器的总体结构。先在Al2 O3 衬
底上生长GaN 缓冲层, 再生长3 μm 掺Si 的n2
GaN , 然后是0. 2μm 的未掺杂的i2Al InGaN ,再生
长0. 2μm 的掺Mg 的p2Al InGaN ,最后生长0. 1
μm 的掺Mg 的p2GaN 作为欧姆接触层。为了研究
中间的未掺杂的Al InGaN 层和p 型Al InGaN 层的
性质,我们又分别生长了样品B 和样品C。样品B
是先在Al2 O3 衬底上生长GaN 缓冲层, 再生长3
μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1μm 未掺杂的i2
Al InGaN。样品C 是先在Al2 O3 衬底上生长GaN
缓冲层, 再生长3μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1
μm 掺Mg 的p2Al InGaN 。
分别对样品B ,C 做了X 光三晶衍射实验。图
2 (a) 、( b) 分别是样品B 和C 的X 光三晶衍射谱。
图2 (a) 中的34. 565°的峰是GaN (0002) 峰,34. 602°
的峰是Al InGaN (0002) 峰。图2 (b) 中的34. 565°的
峰是GaN ( 0002 ) 峰, 34. 583°的峰是Al InGaN
(0002) 峰。
由此,计算出样品B 和C 的晶格常数列于表2
中。从计算结果可以看出样品B 和样品C 中
Al InGaN 与GaN 晶格常数基本匹配。
(a) 样品B
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(b) 样品C
图2 样品的X光三晶衍射谱
表2 样品B和C的晶格常数
样品cGaN / nm cAl InGaN / nm
Δc
c GaN
/ %
B 0. 518 50 0. 518 00 0. 096
C 0. 518 50 0. 518 31 0. 037
为了分析Al InGaN 材料的组分,对样品进行
PL 谱测量。对比图3 (a) 、(b) 、(c) 得出,在图3 (c)
中,358. 6 nm 的发光峰为p2Al InGaN 的带边发射;
365 nm 的发光峰为GaN 的带边发射;i2Al InGaN 的
发光峰基本与GaN 的发光峰重合。计算得出p2
Al InGaN 的禁带宽度Eg = 3. 46 eV 。
(c) 样品A
图3 样品的室温(300 K) PL 谱
根据上面分析可知, 与GaN 晶格匹配的
Al x Iny GazN材料中,Al 组分与In 组分的比值为
4. 47 ∶1 ,所以我们可以确定p2Al InGaN 材料的组
分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902N。
3. 2 器件工艺
本文按常规工艺制备了如图4 所示结构的PIN
光电探测器。它包括n2GaN 底层,i2Al InGaN 光吸
收层, p2Al InGaN 过渡层, p2GaN 欧姆接触层。
SiO2 作为器件的保护层和抗反射膜,用Ti/ Al/ Ni/
Au 作n 电极,用Ni/ Au 作p 电极。
图4 Al InGaN/ GaN PIN 结构示意图
试验中对p 型欧姆接触进行了工艺优化,材料
为K0299 p 型样品。合金温度优化表明500 ℃下所
获得的接触性能最好, 比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。随后分别在K0299 ( p2GaN ) 样品和
K0294 (p2Al InGaN) 样品上制备了电极,结果p 型
Al InGaN 的I2V 特性很差,电阻率很大,难以形成
欧姆接触。相比之下,p 型GaN 的I2V 特性就好得
多, 而且形成了欧姆接触。所以我们在p 型
Al InGaN 层上面生长了一层p2GaN ,用p2GaN 来做
欧姆接触层,降低了电阻率。
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4 器件性能测试与分析
图5 (a) 为Al InGaN PIN 型紫外探测器在正向
偏压下的I2V 特性曲线,其正向开启电压约为1. 5
V 。图5 (b) 为器件在反向偏压下的I2V 特性曲线,
器件的反向击穿电压约为40 V ,表现出较好的硬击
穿。由上述可见器件的I2V 特性良好。
图5 器件的I2V 特性曲线
将测试的数据进行处理,得到暗电流和反向偏
压关系曲线如图6 。从图6 可以看出,暗电流随反
相偏压增大而增大。在未加偏压时,暗电流在10 - 12
A 的数量级,在- 5 V 偏压下,暗电流仍然比较小,
仅为3. 3 ×10 - 11 A。
图7 是在- 5 V 偏压下测试得到的响应光谱。
光谱响应范围在200～400 nm ,实现了紫外探测。
Al InGaN 的禁带宽Eg = 3. 46 eV ,由公式hν≥Eg ,
λν= C ,可算出λ≤358. 4 nm。器件对波长大于358
nm 的入射光响应很小,相对峰值响应接近于零;小
于200 nm 的入射光因为波长短,光吸收系数很大,
被表面复合,无法在外电路中形成光电流[ 5 ] 。但从
图7 看出,光谱响应的范围较窄,主要原因有: (1) p2
Al InGaN 层的Al 组分小,没能形成窗口层; (2) p2
Al InGaN 层太厚,在光达到i 层前,大部分的光被p2
Al InGaN 层吸收了。
样品在350 nm - 5 V 偏压下峰响应为0. 163
A/ W ,量子效率达到58 %,性能优于T. N Oder 等
人[6 ] 报道的最大响应度0. 13 A/ W @326. 8 nm 的
In0. 02Al0. 15 Ga0. 83N 紫外光电探测器。最大响应度没
有出现在“太阳盲区”250～300 nm 范围内,主要是
因为i 层的Al InGaN 材料的Al 组分太小,使得i2
Al InGaN 的禁带宽度与GaN 的禁带宽度接近。
5 结论
采用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的有源
层,成功研制出PIN 紫外光电探测器。通过PL 谱
测量和X 射线衍射实验,计算出生长的p2Al InGaN
材料的组分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902 N ,与GaN 材料的
晶格失配率仅为0. 037 %。
(下转第708 页)
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品温度和环境温度慢慢趋于一致,即趋于热平衡时,
电阻变化缓慢且阻值降低较小。
图6 样品B 在空气中和真空中的电阻测量结果
4 结论
采用PECVD 法制备的掺硼氢化非晶硅薄膜,
其电阻值随测试时间呈现上升趋势,经XPS 分析发
现薄膜中存在氧化现象。光照条件下,样品光电阻
上升幅度增加,长时间的光照会导致S2W 效应出
现,分析表明光照会引起材料中弱Si - Si 键的断
裂,导致悬挂键缺陷态产生。掺硼氢化非晶硅的电
阻在退火前后均呈现波动现象,是由于随机电报噪
声的存在。通过对样品在真空中和空气中电阻测
量,证实在真空中材料焦耳热作用更显著,另外空气
的对流也对材料温度变化产生影响。
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作者简介:
杨利霞(1985 - ) ,女,硕士研究生,研究方向为
光电传感器用硅基薄膜敏感材料。
E2mail : lee4963 @163. com
(上接第672 页)
合金温度优化表明500 ℃合金退火下所获得的
p 型欧姆接触性能最好,比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。I2V 特性显示,器件正向开启电压为1. 5
V 左右,反向击穿电压为40 V ;在- 5 V 偏压下,暗
电流为3. 3 ×10 - 11 A ;样品在350 nm 下的最大响应
度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %,显示出了良好
的器件特性。
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作者简介:
黄 瑾(1983 - ) ,女,福建人,硕士研究生,主要
从事GaN 基材料和器件的研究。
E2mail : yehehuangjin0207812 @hotmail . com
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