AlGaN紫外光電導(dǎo)探測器的研究
近年來，GaN及其合金成為人們重點研究的第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、導(dǎo)熱性能好、電子漂移飽和速度高以及化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，對于抗輻射、耐高溫的高頻大功率器件以及工作于紫外波段的光探測器件，具有極大的發(fā)展空間和廣闊的市場［1］。
GaN基三元合金AlxGa1-x材料是波長范圍連續(xù)的直接帶隙半導(dǎo)體，隨材料Al組分的變化其帶隙在3．4～6．2eV之間連續(xù)變化，帶隙變化對應(yīng)波長范圍為200～365 nm［2］，覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收光譜區(qū)(230～280 nm)，非常適合于制作太陽盲區(qū)紫外光探測器。由于大氣吸收而造成的太陽盲區(qū)現(xiàn)象使得紫外光探測器在導(dǎo)彈跟蹤以及預(yù)警設(shè)備方面應(yīng)用很廣。而光電導(dǎo)探測器具有制作簡單、光響應(yīng)較大的優(yōu)點，因此，對AlGaN紫外光電導(dǎo)探測器的研究具有重要的意義。
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長高質(zhì)量的未摻雜AlxGa1－xN外延層，并以此為材料制作了AlxGa1－x N紫外光電導(dǎo)探測器，測量了該探測器的I-V特性和紫外光響應(yīng)特性，分析了探測器中存在的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)(PPC)的產(chǎn)生機理。
1 器件結(jié)構(gòu)與工藝實驗
實驗樣品是基于MOCVD方法生長在藍寶石襯底(0001)上的AlGaN薄膜，分別使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和高純氨氣(NH3)作為Ga源、Al源和N源，高純H2作為載氣。樣品具體的制備過程是：在壓強150 Torr、溫度1100℃下高溫處理藍寶石襯底5 min，反應(yīng)器采用射頻電源加熱襯底。材料生長過程采用兩步法，首先在550℃下生長25 nm厚的GaN緩沖層，1030℃下再高溫生長AlGaN外延層，利用分光光度計外延層厚度測得為2．1μm。生長外延層的氣體流量分別為：NH3為2．1 L/min，TMGa為10 mL/min，TMAl為8 mL/min，H2為2．3 L/min。X射線衍射實驗得出Alx Ga1－xN材料樣品的x值為0．148，探測器樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。
GaN基三元合金AlxGa1-x材料是波長范圍連續(xù)的直接帶隙半導(dǎo)體，隨材料Al組分的變化其帶隙在3．4～6．2eV之間連續(xù)變化，帶隙變化對應(yīng)波長范圍為200～365 nm［2］，覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收光譜區(qū)(230～280 nm)，非常適合于制作太陽盲區(qū)紫外光探測器。由于大氣吸收而造成的太陽盲區(qū)現(xiàn)象使得紫外光探測器在導(dǎo)彈跟蹤以及預(yù)警設(shè)備方面應(yīng)用很廣。而光電導(dǎo)探測器具有制作簡單、光響應(yīng)較大的優(yōu)點，因此，對AlGaN紫外光電導(dǎo)探測器的研究具有重要的意義。
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長高質(zhì)量的未摻雜AlxGa1－xN外延層，并以此為材料制作了AlxGa1－x N紫外光電導(dǎo)探測器，測量了該探測器的I-V特性和紫外光響應(yīng)特性，分析了探測器中存在的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)(PPC)的產(chǎn)生機理。
1 器件結(jié)構(gòu)與工藝實驗
實驗樣品是基于MOCVD方法生長在藍寶石襯底(0001)上的AlGaN薄膜，分別使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和高純氨氣(NH3)作為Ga源、Al源和N源，高純H2作為載氣。樣品具體的制備過程是：在壓強150 Torr、溫度1100℃下高溫處理藍寶石襯底5 min，反應(yīng)器采用射頻電源加熱襯底。材料生長過程采用兩步法，首先在550℃下生長25 nm厚的GaN緩沖層，1030℃下再高溫生長AlGaN外延層，利用分光光度計外延層厚度測得為2．1μm。生長外延層的氣體流量分別為：NH3為2．1 L/min，TMGa為10 mL/min，TMAl為8 mL/min，H2為2．3 L/min。X射線衍射實驗得出Alx Ga1－xN材料樣品的x值為0．148，探測器樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示。
為了提高器件的響應(yīng)特性，探測器的歐姆接觸采用叉指式電極結(jié)構(gòu)，如圖2所示。指長82μm，寬2μm，指間距離3μm，每個電極有24條指狀接觸。為制備出良好的歐姆接觸，先對AlGaN外延層進行清洗，使用剝離技術(shù)，在AlGaN外延層上濺射30 nm的Ti和100 nm的Al作為歐姆接觸，電極金屬化采用50 nm的Ti和500 nm的Au。
實驗光源采用功率約為3 mw/cm2的紫外燈管，紫外下對探測器的暗電流以及光生電流進行了測量和記錄。
2 結(jié)果分析與討論
X射線衍射實驗表明所制備的AlGaN樣品為纖鋅礦六角結(jié)構(gòu)，并且沿c軸擇優(yōu)取向。因為樣品的X射線衍射圖譜中只出現(xiàn)(0002)衍射峰。掃描電鏡對樣品的外部形貌觀測結(jié)果表明樣品的表面光滑，說明材料具有較好的結(jié)構(gòu)特性。
利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測量了探測器樣品的伏安特性，如圖3所示。伏安特性正反向均為線性，表明了制作的探測器電極具有良好的歐姆特性。
為了保證實驗結(jié)果的正確性，光照前樣品在暗室存放足夠長的時間。5 V偏壓下樣品的光響應(yīng)如圖4所示。暗電流為15．38 mA，光電流為15．91 mA，光電流上升馳豫時間為2．71 s，下降馳豫時間為4．04 s。
從圖4可以看出，探測器具有明顯的紫外光效應(yīng)，但光電流下降緩慢，證明該AlGaN探測器存在嚴重的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)(PPC)，此效應(yīng)增加了光響應(yīng)時間，使紫外光探測器的性能變壞。為了改善器件的響應(yīng)特性，探測器光響應(yīng)動力學(xué)以及PPC效應(yīng)的起源，成為光電導(dǎo)探測器的研究重點。
Reddy［3］等人實驗認為GaN基材料薄膜中的PPC與黃光帶效應(yīng)可能源于同種缺陷。他們發(fā)現(xiàn)，只有具有黃光帶效應(yīng)的樣品才出現(xiàn)PPC效應(yīng)，而引起PPC效應(yīng)的光子能量閾值是1．6±0．2 eV，這正好是黃光帶的起始能量值。在1．8～2．2 eV之間，光電流隨光強單調(diào)上升，而此能量寬度與黃光帶的寬度正好一致。Chen［4］等人認為引起PPC與黃光帶的材料內(nèi)部缺陷可能是NGa(N反位)。NGa缺陷在不同的帶電狀態(tài)下會發(fā)生晶格馳豫現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會產(chǎn)生勢壘限制光生載流子的復(fù)合，從而產(chǎn)生了PPC效應(yīng)。有結(jié)果表明，GaN材料摻雜Ge和Mg后，可以有效地減弱黃光帶。該結(jié)論與Chen等人的假設(shè)相一致，因為Ge和Mg原子可以填充Ga空位，從而減少了NGa的形成。
Monroy［5］等人認為PPC現(xiàn)象源于外延層有效導(dǎo)電區(qū)的光調(diào)制效應(yīng)。GaN基材料中存在均勻分布的點缺陷，如雜質(zhì)和空位；在晶格不連續(xù)處也存在多種晶格缺陷，如位錯和晶粒間界等。無光照平衡狀態(tài)下，一部分缺陷會處于帶電狀態(tài)，如Ga空位；一部分缺陷會處于不帶電的中性狀態(tài)。紫外光照會使陷阱中的部分束縛電子被離化成為自由電子，降低了陷阱勢壘高度，減小了空間電荷區(qū)寬度，從兒增加了外延層的有效導(dǎo)電區(qū)，所以可以產(chǎn)生很高的電流增益。光照停止后，電子會重新被陷阱中心所俘獲，由于勢壘的阻擋作用，這個過程很慢，也正是PPC效應(yīng)的起因。
我們認為，對于理想情況下無缺陷的AlGaN材料，紫外光照會離化晶格原子外層電子成為自由電子，同時產(chǎn)生等量的空穴，從而產(chǎn)生較大的光生電流，此種情況下并不會產(chǎn)生PPC效應(yīng)。由于目前生長的AlGaN材料中存在很多的缺陷，陷阱中心能夠俘獲一種過剩載流子，正是其俘獲過程對探測器的光電流衰變產(chǎn)生了重要影響，從而導(dǎo)致了PPC效應(yīng)。很多報道的MSM結(jié)構(gòu)探測器都存在PPC效應(yīng)，我們制作成功的另外一種MSM探測器也存在PPC效應(yīng)，按照上面Monroy［5］等人的理論，MSM結(jié)構(gòu)探測器不應(yīng)該存在PPC效應(yīng)。這進一步證明了材料中的缺陷是導(dǎo)致AlGaN紫外光電導(dǎo)探測器PPC效應(yīng)的原因。
3 結(jié)語
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長未摻雜Al0．15Ga0．85N外延層，并以此為材料制作了具有顯著紫外光響應(yīng)的AlGaN光電導(dǎo)探測器，測量了紫外光照下探測器的暗電流、光電流以及光響應(yīng)馳豫時間，討論了PPC效應(yīng)產(chǎn)生的機理，認為材料中的缺陷是導(dǎo)致AlGaN紫外光電導(dǎo)探測器PPC效應(yīng)的原因。
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