AlGaN MSM結構日盲型紫外探測器

楊蓮紅+張保花+王俊珺+魏偉

摘 要： 采用低壓?金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法在（0001）方向的AlN/藍寶石模板上生長得到Al組分為40%的AlGaN材料，設計并制作了MSM型AlGaN 日盲紫外探測器。通過HRXRD，SEM，AFM對AlGaN材料進行了表征，結果表明：該材料為六方相結構，且應變程度很小，粗糙度（RMS）為1.32 nm。通過測試器件在230～320 nm之間、在不同偏壓下的光譜響應曲線，發現器件的截止波長在285 nm附近，截止邊很陡峭；器件的峰值響應波長為275 nm；在7 V偏壓下，器件峰值響應度達到最大2.8 mA/W；零偏壓下，器件的暗電流1×10?13A，器件的暗電流很小。

關鍵詞：日盲型； 紫外探測器； 金屬有機化學氣相沉積法； AlGaN； 光譜響應

中圖分類號： TN23?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0120?03

AlGaN solar?blind ultraviolet photodetector with MSM structure

YANG Lian?hong， ZHANG Bao?hua， WANG Jun?jun， WEI Wei

（Department of Physics， Changji College， Changji 831100， China）

Abstract： AlGaN material with 40% Al component was grown on AlN/sapphire substrate by low?voltage metal organic chemical vapor deposition （MOCVD） method. The AlGaN solar?blind UV photodetector with MSM structure was designed and fabricated. AlGaN material was characterized by using high resolution X?ray diffraction （HRXRD）， scanning electron microscope （SEM） and atomic force microscopy （AFM）. The results indicates that the material is hexagonal， its strain in the AlGaN is small and roughness （RMS） is 1.32 nm. According to the spectral response curve under various bias， it is found that the cut?off wavelength of the device is near 285 nm. The cut?off edge is very steep. The peak response wavelength is 275 nm. The peak responsivity is 2.8 mA/W at 7 V bias voltage. The dark current of detector is 1×10?13A under zero bias voltage， and very small.

Keywords： solar?blind ultraviolet photodetector； MOCVD method AlGaN； spectral response

0 引 言

進入21世紀，隨著科技的快速發展，紫外光福射和測量引起了人們越來越多的關注，紫外探測技術的應用需求也日益增長。在軍事領域中，紫外探測技術可用在導彈預警、導彈制導、紫外通信、生化武器輻射的探測等；在民用領域中，紫外探測技術可用于火焰探測、污染檢測、電力系統監測、化學生物監測、指紋檢測、環境監測等[1?12]。

近年來，隨著新型Ⅲ?Ⅴ族半導體GaN基材料的發展，新型的AlGaN基紫外探測器成為研究熱點。纖鋅礦結構的GaN基三元合金AlxGa1?xN （0 ≤x≤1） 材料是寬禁帶的直接帶隙半導體材料，其禁帶寬度隨著材料Al組分的變化可以從GaN的3.4 eV連續變化到AlN的6.2 eV，AlGaN材料制作的紫外探測器的截止波長對應地可以連續從365 nm變化到200 nm，是制作日盲型紫外探測器良好材料之一。制作日盲紫外探測器的AlxGa1-xN材料必須是Al組分x達到40%以上高Al組分AlGaN材料。AlGaN 基材料還具有電子飽和速率高、介電常數小以及耐腐蝕耐高溫等優點，可在惡劣環境中工作[13]。因此，AlGaN基材料在紫外探測領域有很高的應用價值。

金屬?半導體?金屬（MSM）光伏紫外探測器由兩個叉指形的背靠背肖特基二極管組成，它不需要進行P型摻雜，結構簡單、造價低、易于集成，并且有高靈敏度和高響應度等特點，因此得到了普遍的關注。

1 實 驗

實驗中三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）和高純氨氣分別作為Ga、Al和N源，高純氫氣作為載氣。實驗采用商用低壓金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備在（0001）方向的AlN/藍寶石模板襯底上經高溫烘烤后再生長AlGaN，生長溫度在1 150 ℃，可生長得到Al組分為40%的AlGaN 材料，即Al0.4Ga0.6N，制作了MSM型AlGaN日盲紫外探測器。

采用PANalytical XPert Pro MRD三軸晶衍射儀（HRXRD）對材料的物相及晶體結構進行表征；通過JSM7000F型掃描電子顯微鏡（SEM）和Nannoscope 3a型原子力顯微鏡（AFM）表征材料的形貌。通過對紫外探測器電流?電壓（I?V）特性及在230～320 nm之間、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏壓下的光譜響應曲線的測試，較為詳細地分析了器件的性能。

2 表征及結果分析

實驗中用以表征的Al0.4Ga0.6N材料層次結構示意圖如圖1所示。

圖1 A1GaN材料層次結構示意圖

2.1 HRXRD表征及結果分析

為了顯示異質外延系統中的應變與缺陷存在的狀態，必須觀察倒易格點附近X射線散射強度的分布。為此不僅要觀察倒易格點的位置，更關心倒易格點的形狀。繪制倒易格點散射強度的分布，以展示倒易格點的形狀，即倒易空間圖（reciprocal space map，RSM）[14]。

通過HRXRD可以得到衍射晶面非對稱面（114）的二維倒易空間圖，如圖2所示。利用倒易空間圖可以分析晶體材料的應變、應力、晶面效應及晶向效應[14]。

圖2 二維倒易空間圖

根據材料的六方晶系中晶格常數和倒易空間矢量之間的對應關系，可以計算出所生長的材料的晶格常數為：[a=3.155 22]?，[c=5.114 83]?，其晶格常數介于AlN晶格常數和GaN晶格常數之間。

根據材料應變與晶格常數之間的關系，可以得到材料的應變值 [ε33=0.006 417%]，[ε11=-0.173%]。從以上計算結果可以看出材料應變值很小，說明材料的應變程度很小。

2.2 形貌的表征及結果分析

圖3給出了樣品的SEM圖像。從圖中可以看出樣品表面平整。

圖3 SEM表面形貌

進一步使用AFM對樣品的表面形貌進行表征，形貌圖如圖4所示。樣品的粗糙度（RMS）為1.32 nm，說明樣品的表面很平整。

圖4 AFM表面形貌圖

3 器件制作及性能分析

3.1 器件制作

AlGaN MSM結構紫外光電探測器結構如圖5所示。

圖5 器件結構示意圖

先在AlGaN外延片樣品表面光刻出叉指狀電極圖形，接著通過電子束蒸發（PVD75型）在圖形上蒸發Ni/Au兩層金屬做電極，電極的厚度為20 nm/80 nm，經過剝離工藝，形成梳狀叉指電極。叉指結構如圖6所示。電極的寬度為10[μm，]間距為10[μm]和3[μm]，每個探測器件的感光面積為200[μm]×400[μm] 。

圖6 叉指電極的結構

3.2 性能測試及結果分析

采用壓焊技術將器件的電極引出，測試和分析器件的電流?電壓特性和光譜響應特性。

首先采用低噪聲直流電源對器件的電流?電壓（I?V） 特性進行了測試，圖7為AlGaN MSM結構紫外探測器無光照情況下的I?V特性曲線。

圖7 器件的I?V特性曲線

通過對器件I?V特性曲線的分析可以看出：器件的I?V特性曲線具有對稱性；在零偏壓時，其暗電流為1×10-13A，在6 V偏壓下暗電流為1×10-12A，器件的暗電流非常小，器件性能穩定、噪音低、檢測信號的能力強；隨著偏置電壓的增加，探測器的暗電流增大。此現象由于鏡像力和隧道效應影響使得勢壘高度隨反偏電壓的增加而略微下降造成的[15?17]。

進一步研究器件的光譜響應特性。測試中用氘燈作為光源，結合單色儀、鎖相放大器和經校準的標準紫外增強型硅探測器，測試了器件的光譜響應曲線。

圖8 器件的光譜響應曲線

測試的器件在230～320 nm之間、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏壓下的光譜響應曲線，如圖8所示。

測試結果表明：在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏壓下，器件的截止波長在285 nm附近，這與理論計算的材料禁帶寬度4.3 eV[x=0.4]對應的長波限為288 nm吻合。截止邊很陡峭，且隨著偏壓的升高響應曲線的下降部分越陡峭，表明器件具有良好的波長選擇性。器件的峰值響應波長為275 nm，為日盲紫外探測器。在7 V偏壓下，器件響應度峰值達到2.8 mA/W。從230～290 nm，在0～7 V偏壓下，器件的響應度隨著電壓增加而增大。但是在10 V偏壓下，響應度卻相對下降。探測器的光電響應除了體材料的響應，還包含材料缺陷、位錯、雜質能級等其他響應，當偏壓超過一定數值后，可能激活了材料中的某些缺陷能級，從而導致光生載流子減少，光電響應度有所下降。

4 結 語

本文使用商用低壓?金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備在（0001）方向的AlN/藍寶石模板上生長得到Al組分為40% 的AlGaN材料，制作了MSM型AlGaN日盲紫外探測器。通過高分辨X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡對AlGaN材料進行了表征，材料表面平整，應變程度很小，粗糙度（RMS）為1.32 nm。測試了器件在230～320 nm之間、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏壓下的光譜響應曲線，器件的截止波長在285 nm附近，截止邊很陡峭。器件的峰值響應波長為275 nm。在7 V偏壓下，器件峰值響應度為2.8 mA/W。在零偏壓時，器件的暗電流為1×10?13A，在6 V偏壓下暗電流為1×10?12A，暗電流非常小。

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