背照射和正照射p-i-n結(jié)構(gòu)GaN紫外探測器的i-GaN和p-GaN厚度設(shè)計

周 梅，李春燕， 趙德剛

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，北京 100083;2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

1 引 言

氮化鎵(GaN)及其系列材料(包括GaN、InN、AlN及合金)被稱為第三代半導(dǎo)體，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。GaN基紫外探測器是一種很重要的光電子器件，具有可見光盲(甚至是日盲)、量子效率高、零偏壓工作、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈跟蹤、大氣監(jiān)測、火情告警等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)過多年的努力，人們先后研制出多種結(jié)構(gòu)的GaN基紫外探測器單元器件和紫外焦平面陣列，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成像［1-9］。其中p-i-n結(jié)構(gòu)是最常用的探測器結(jié)構(gòu)，也是理論上最理想的器件結(jié)構(gòu)［10］。p-i-n結(jié)構(gòu)根據(jù)入射光的方式又可以分為兩種:背照射和正照射。其中背照射由于采用倒裝焊工藝很容易和讀出電路互連，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模探測器面陣的必要選擇［3，8］;而正照射結(jié)構(gòu)材料生長簡單，適合制作單元器件。目前很多研究工作都集中在材料生長和器件工藝，其實(shí)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常重要，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)能在一定材料質(zhì)量的基礎(chǔ)上使器件性能達(dá)到最優(yōu)。

本文主要研究了i-GaN和p-GaN厚度對p-in結(jié)構(gòu)GaN紫外探測器光譜響應(yīng)的影響，并比較了背照射和正照射的區(qū)別，提出了設(shè)計方案。研究發(fā)現(xiàn)，對于背照射結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)販p小i層厚度有利于提高探測器的響應(yīng)，適當(dāng)?shù)卦黾觩-GaN厚度可以改善探測器性能。正照射結(jié)構(gòu)則不同，i層厚度對探測器的響應(yīng)度影響不大，但是較差的歐姆接觸特性將嚴(yán)重降低探測器的響應(yīng)，適當(dāng)?shù)販p小p-GaN厚度可以大幅度改善探測器的響應(yīng)特性。進(jìn)一步分析表明，能帶結(jié)構(gòu)的差別導(dǎo)致了正照射和背照射器件結(jié)構(gòu)中i層和p層厚度的選擇不同。

2 模擬計算所采用的器件結(jié)構(gòu)示意圖及參數(shù)

圖1(a)是用于本文模擬的背照射p-i-n結(jié)構(gòu)GaN紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖，包括n+-AlGaN層、i-GaN層(弱n型)和p-GaN層，入射光從襯底背面照射。為了簡化計算過程，n+-AlGaN窗口層采用透過率為70%的n歐姆電極取代。圖1(b)是正照射p-i-n結(jié)構(gòu)GaN紫外探測器示意圖，包括p-GaN層、i-GaN層(弱n型)和n+-GaN層，入射光從p-GaN層面照射。在模擬計算中，i-GaN層的載流子濃度固定為5×1016cm-3(在本文的大部分情況下，i-GaN層的載流子濃度為該值)，n+-GaN層的載流子濃度固定為5×1018cm-3，p-GaN層的載流子濃度固定為5×1017cm-3。我們采用美國賓州大學(xué)提供的AMPS軟件(Analysis of microelectronic and photonic structures)對器件性能進(jìn)行模擬計算，該軟件通過求解泊松方程和連續(xù)性方程，能夠?qū)Π雽?dǎo)體器件的特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，也是半導(dǎo)體光伏特性分析的有力工具［11-12］。

圖1 本文模擬計算的GaN基p-i-n探測器結(jié)構(gòu)示意圖。(a)背照射;(b)正照射。Fig.1 Schematic diagram of p-i-n GaN photodetectors in this work.(a)Back-illuminated structure.(b)Front-illuminated structure.

3 結(jié)果與討論

本文通過模擬計算，首先研究了背照射結(jié)構(gòu)中i-GaN層、p-GaN層厚度對p-i-n探測器量子效率的影響，然后研究正照射結(jié)構(gòu)中i-GaN層、p-GaN層厚度對p-i-n探測器量子效率的影響，通過能帶結(jié)構(gòu)的計算，分析了相關(guān)的物理機(jī)制，提出了設(shè)計方案。

3.1 背照射結(jié)構(gòu)

我們先研究了p-GaN歐姆接觸很好情況下的規(guī)律。圖2是p-i-n結(jié)構(gòu)中i-GaN層不同厚度時背照射探測器的響應(yīng)光譜，這里i-GaN層厚度分別為200，400，600 nm，p-GaN 層的厚度和載流子濃度分別為200 nm、5×1017cm-3?？梢钥闯觯?個響應(yīng)光譜差別很大，以入射光波長為340 nm處為例，i層厚度為200，400，600 nm時，對應(yīng)的量子效率分別為 0.65，0.51，0.34。隨著 i層厚度的增加，探測器的量子效率顯著降低，響應(yīng)變差;而且隨著入射光波長的進(jìn)一步變短，這種差別越來越大?？傊?，i-GaN層厚度適度減薄時，量子效率會得到顯著提高。

圖2 在歐姆接觸很好的情況下，i-GaN層厚度為200，400，600 nm時對應(yīng)的背照射探測器響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.2 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

為了揭示i-GaN層厚度對探測器性能影響的物理機(jī)制，我們計算并研究了其能帶結(jié)構(gòu)。圖3是背照射探測器中p-GaN層和i-GaN層的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，在圖中虛線的左側(cè)是i層，右側(cè)是p層，入射光從左側(cè)進(jìn)入?？梢钥闯觯?dāng)i-GaN層厚度為200 nm時，整個i層基本上完全耗盡，入射光子產(chǎn)生的電子空穴都處于耗盡區(qū)，很容易被強(qiáng)大的內(nèi)建電場所分離。這樣光電流會很大，量子效率很高。當(dāng)i-GaN層厚度為400 nm時，只有靠近p區(qū)250 nm厚的i-GaN完全耗盡，靠近表面150 nm厚的i-GaN沒有耗盡。當(dāng)入射光從背面照射到器件時，入射光首先被i層吸收，而且更多的光子被靠近表面的i層吸收。由于光生電子空穴對很多并不在耗盡區(qū)，所以很多光生載流子并不能形成光電流，探測器的量子效率較低。當(dāng)入射光波長變短時，由于吸收系數(shù)更大，所以透入深度更淺，更多的光生載流子不能形成光電流，探測器的量子效率將更低。當(dāng)i-GaN層厚度為600 nm時，只有靠近p區(qū)250 nm厚的i-GaN完全耗盡，靠近表面的350 nm厚的i-GaN沒有耗盡。也就是說，大部分i-GaN層都沒有耗盡，尤其是靠近表面的i區(qū)。

這樣入射光大部分都被靠近表面的i-GaN所吸收，但是這部分吸收產(chǎn)生的電子空穴對并不能被電場所分開，也就不能形成光電流，探測器的量子效率會很低。當(dāng)入射光的波長變短時，探測器的量子效率將更低。所以，當(dāng)i-GaN層厚度增加時，由于靠近表面的i-GaN層沒有耗盡，從而不能形成光電流，所以探測器的量子效率降低，光譜響應(yīng)變差。要提高背照射p-i-n結(jié)構(gòu)探測器的響應(yīng)，必須適當(dāng)?shù)販p少i-GaN層厚度。

圖3 在歐姆接觸很好的情況下，i-GaN層厚度分別為200，400，600 nm時的背照射探測器導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.3 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

圖4 i-GaN層的載流子濃度為1×1016cm-3時，i-GaN層厚度為200，400，600 nm時對應(yīng)的背照射探測器響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.4 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors when the i-GaN electron concentration is 1×1016cm-3，where the i-GaN thickness are 200，400，and 600 nm，respectively.

圖5 i-GaN層的載流子濃度為1×1016cm-3時，i-GaN層厚度為200，400，600 nm時對應(yīng)的背照射探測器導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.5 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors when the i-GaN electron concentration is 1×1016cm-3，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

從圖3的結(jié)果分析來看，i-GaN層厚度為400 nm和600 nm時，由于沒有完全耗盡，導(dǎo)致探測器的量子效率很低;如果i層的本底載流子濃度降低到一定程度，耗盡區(qū)就會擴(kuò)展，有可能會增加器件的量子效率。我們也計算了當(dāng)i-GaN層的載流子濃度為1×1016cm-3時，i層厚度對探測器的影響。圖4是當(dāng)i-GaN層的載流子濃度為1×1016cm-3時，i層厚度為 200，400，600 nm 時的探測器響應(yīng)光譜。可以看出，雖然此時200 nm時器件量子效率最高、響應(yīng)最強(qiáng)，但是三者差別已經(jīng)非常小。另外，與圖2的結(jié)果相比較，i層厚度為400 nm和600 nm時的探測器量子效率已經(jīng)急劇增大。圖5所示為當(dāng)i-GaN層的載流子濃度為1×1016cm-3時，i層厚度為 200，400，600 nm 時的探測器的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖。可以看出，此時i層都處于全部耗盡狀態(tài)，大部分光生載流子都處于電場區(qū)，都能被電場分離而形成光電流，所以量子效率都很高;只是i層厚度為200 nm時電場強(qiáng)度更大，電子空穴對的分離效果更好，所以量子效率更高。由此可見，降低i-GaN層的本底載流子濃度對于提高背照射結(jié)構(gòu)探測器的響應(yīng)非常重要。

本文還研究了歐姆接觸特性對背照射p-i-n紫外探測器響應(yīng)光譜的影響。圖6是p-GaN層歐姆接觸很好和很差的情況下探測器的響應(yīng)光譜，這里p-GaN層的厚度、濃度分別為200 nm、5×1017cm-3，i-GaN層厚度為200 nm。歐姆接觸的好壞由其接觸勢壘決定，好的時候接觸勢壘幾乎為0，很差情況下的接觸勢壘設(shè)定為0.5 eV。可以看出，歐姆接觸好壞對探測器的響應(yīng)光譜影響不是很大。歐姆接觸好時，探測器的響應(yīng)略好，良好的歐姆接觸特性確實(shí)可以改善器件性能。我們還研究了歐姆接觸很差的情況下，p-GaN層厚度對背照射探測器響應(yīng)光譜的影響(圖7)。可以看出，p-GaN層厚度為50 nm和200 nm時的響應(yīng)光譜差別也不是很大，但是探測器的量子效率在p-GaN層厚度為200 nm時略高一些。適當(dāng)增加p-GaN層厚度可以改善探測器性能。

圖6 不同歐姆接觸特性時背照射探測器的響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3、厚度200 nm，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.6 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with different contact properties

圖7 歐姆接觸特性不好的情況下，p-GaN層厚度分別為50 nm和200 nm時對應(yīng)的背照射探測器響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.7 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50 and 200 nm，respectively.

圖8是歐姆接觸不好的情況下，p-GaN層厚度分別為50 nm和200 nm時的探測器的p-i兩層的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，圖中虛線左側(cè)是i-GaN層，右側(cè)是p-GaN層?？梢钥闯?，兩種情況下的i-GaN層都全部耗盡。由于歐姆接觸特性很差，p-GaN層表面都形成了肖特基結(jié)。表面p-GaN與金屬形成的肖特基內(nèi)建電場與i-GaN層內(nèi)建電場的方向剛好相反［9］，這樣入射光在這兩個耗盡區(qū)形成的光電流相反，會有抵消的作用，但是由于大部分入射光都被i-GaN層吸收，真正被p-GaN表面肖特基結(jié)吸收的非常少，這種抵消作用不明顯，所以歐姆接觸對背照射p-i-n探測器的光譜響應(yīng)影響不是很大。當(dāng)然，如果p-GaN層厚度薄一點(diǎn)，表面肖特基結(jié)吸收的入射光還是會多一些，抵消作用會增強(qiáng)，從而降低器件響應(yīng)。適當(dāng)增加p-GaN層厚度還是會改善探測器的光譜響應(yīng)。

圖8 在歐姆接觸特性不好的情況下，p-GaN層厚度分別為50 nm和200 nm時對應(yīng)的背照射探測器導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.8 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50 and 200 nm，respectively.

我們可以得出如下結(jié)論:適當(dāng)減小i-GaN層厚度、增加p-GaN層厚度可以提高背照射p-i-n探測器的光譜響應(yīng)，p-GaN層歐姆接觸特性對器件響應(yīng)影響不是很大。

3.2 正照射結(jié)構(gòu)

我們還研究了歐姆接觸很好的情況下，i-GaN層和p-GaN層厚度對正照射p-i-n結(jié)構(gòu)探測器響應(yīng)光譜的影響。圖9為正照射GaN基p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器的響應(yīng)光譜特性，其i-GaN層厚度固定為200 nm，p-GaN層的厚度分別為200，400，600 nm?？梢钥闯?，i層厚度對探測器的量子效率影響不大，只是在帶邊附近(361 nm左右)有點(diǎn)影響。在361 nm處，i-GaN層厚度為200，400，600 nm時對應(yīng)的探測器量子效率分別為0.49，0.51，0.53。隨著 i-GaN 層厚度的增加，探測器的光譜響應(yīng)增強(qiáng)。適當(dāng)?shù)卦黾觟-GaN層厚度有利于長波處的響應(yīng)。與圖2相比，我們注意到正照射比背照射結(jié)構(gòu)的探測器的量子效率更低。這主要是背照射結(jié)構(gòu)中，n-AlGaN層是窗口層，入射光能夠透過這一層而充分地被i-GaN層吸收，從而能產(chǎn)生較強(qiáng)的光電流;而正照射時，大量的入射光都被p-GaN層吸收，很多光生載流子不能擴(kuò)散到電場區(qū)而形成光電流，所以正照射的探測器量子效率相對較低。當(dāng)然，實(shí)際的背照射結(jié)構(gòu)探測器材料生長十分困難，正照射結(jié)構(gòu)材料生長相對簡單，所以在單元器件研制過程中往往采用正照射結(jié)構(gòu)。

圖9 在歐姆接觸很好的情況下，i-GaN層厚度為200，400，600 nm時對應(yīng)的正照射探測器響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.9 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

我們進(jìn)一步研究了p-GaN歐姆接觸特性對正照射p-i-n探測器的光譜響應(yīng)的影響。圖10所示為在p-GaN歐姆接觸很好和很差的情況下，模擬計算得出的p-i-n探測器響應(yīng)光譜曲線。這里歐姆接觸好時的接觸勢壘幾乎為0，很差情況下設(shè)定為0.5 eV。可以看出，歐姆接觸特性對探測器性能影響很大，在歐姆接觸特性好的情況下，器件響應(yīng)明顯增強(qiáng)。在短波處，歐姆接觸特性對器件的響應(yīng)影響更大，以250 nm波長為例，歐姆接觸特性好和差時，探測器的量子效率分別為0.26和0.08，顯然，改善歐姆接觸特性對于正照射p-in探測器非常重要。然而，做好p-GaN的歐姆接觸需要解決一系列材料和工藝問題，如果歐姆接觸特性不能改善，選擇合適的p-GaN層厚度也可以提高探測器性能。圖11所示為p-GaN厚度分別為50，100，200 nm時探測器的響應(yīng)光譜。隨著p-GaN層厚度的增加，探測器的量子效率明顯下降。以入射光波長為250 nm為例，p-GaN層厚度為50，100，200 nm時，對應(yīng)的探測器量子效率分別為 0.36，0.19，0.08。隨著 p-GaN 層厚度的減少，探測器的響應(yīng)顯著增強(qiáng)。

圖10 不同歐姆接觸特性時的正照射探測器的響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3、厚度200 nm，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.10 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with different contact properties

圖11 在歐姆接觸特性不好的情況下，p-GaN層厚度分別為50，100，200 nm時對應(yīng)的背照射探測器響應(yīng)光譜(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.11 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50，100，and 200 nm，respectively.

圖12為歐姆接觸不好的情況下，p-GaN層厚度為50 nm和200 nm時的p-i層導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，圖中虛線的左側(cè)為p-GaN層，右側(cè)為i-GaN層?？梢钥闯?，由于歐姆接觸特性差，p-GaN與金屬形成了肖特基接觸，這個肖特基結(jié)形成的內(nèi)建電場方向與i-GaN層的內(nèi)建電場方向相反。入射光從p-GaN層照射，p-GaN層吸收了很多入射光，表面的肖特基結(jié)會形成較強(qiáng)的光電流，將抵消一部分i-GaN層產(chǎn)生的光電流，所以歐姆接觸不好對探測器的光譜響應(yīng)影響很大。如果減少p-GaN的厚度，更多的入射光就能被i-GaN所吸收，那么i-GaN層產(chǎn)生的光電流就會大大增強(qiáng)，表面p-GaN肖特基結(jié)形成的光電流的抵消作用就會相對減弱很多，所以適當(dāng)減少p-GaN層厚度能顯著提高探測器的光譜響應(yīng)。

我們可以得出如下結(jié)論:適當(dāng)增加i-GaN層厚度、減小p-GaN層厚度可以提高正照射p-i-n探測器的光譜響應(yīng)，歐姆接觸特性對器件響應(yīng)影響很大，改善p-GaN的歐姆接觸特性非常重要。

圖12 在歐姆接觸特性不好的情況下，p-GaN層厚度分別為50 nm和200 nm時對應(yīng)的正照射探測器導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)圖(p-GaN層載流子濃度5×1017cm-3，i-GaN層厚度200 nm)。Fig.12 Conduction band of front-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50，100，and 200 nm，respectively.

3.3 背照射和正照射結(jié)構(gòu)的比較

從上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背照射和正照射p-i-n結(jié)構(gòu)紫外探測器的i-GaN和p-GaN層厚度的要求正好相反:背照射結(jié)構(gòu)希望減小i層厚度、增加p層厚度，p層歐姆接觸特性對背照射探測器的響應(yīng)影響不大;而正照射結(jié)構(gòu)則希望增加i層厚度、減小p層厚度，p層歐姆接觸特性對正照射探測器的響應(yīng)影響很大。這主要是由于能帶結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致耗盡區(qū)的分布不同;而入射光的方向也直接影響了吸收特性，最后導(dǎo)致了兩者的巨大差別。對于背照射結(jié)構(gòu)來說，耗盡區(qū)主要集中在靠近p區(qū)的i-GaN層，入射光從i區(qū)進(jìn)入，這樣必須減薄i-GaN層，大量的光子才能被電場區(qū)的i-GaN層所充分吸收。另外，大量的入射光被i層吸收，那么p-GaN歐姆接觸特性對器件的影響就不大，如果進(jìn)一步增加p-GaN層厚度，其影響將會更小。對于正照射結(jié)構(gòu)來說，雖然耗盡區(qū)也主要集中在靠近p區(qū)的i-GaN層，但是大量的入射光子被表面的p-GaN層吸收，真正被i-GaN吸收的光子數(shù)減少，所以增加i-GaN層、減小p-GaN層厚度能增強(qiáng)光子的吸收，從而增強(qiáng)光電流。另外，如果p-GaN歐姆接觸特性不好，表面形成的肖特基結(jié)電場與i-GaN層內(nèi)建電場方向相反，會抵消光電流，所以歐姆接觸好壞非常關(guān)鍵。正是因?yàn)槟軒ЫY(jié)構(gòu)和入射光吸收的差別，我們在制備器件時，要根據(jù)要求對正照射和背照射探測器進(jìn)行正確的i層和p層厚度選擇與設(shè)計。

4 結(jié) 論

研究了i-GaN層和p-GaN層厚度對背照射和正照射p-i-n結(jié)構(gòu)GaN紫外探測器響應(yīng)光譜的影響，并提出了設(shè)計方案。模擬計算發(fā)現(xiàn):對于背照射結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)販p小i-GaN層厚度有利于提高探測器的響應(yīng);p-GaN的歐姆接觸特性好壞對探測器的響應(yīng)影響不大，適當(dāng)?shù)卦黾觩-GaN層厚度可以改善探測器的性能。而正照射結(jié)構(gòu)則不同，i-GaN層厚度對探測器的響應(yīng)影響不大，但是歐姆接觸特性差將嚴(yán)重降低探測器的響應(yīng)，適當(dāng)?shù)販p小p-GaN厚度可以大幅度改善探測器的響應(yīng)特性。能帶結(jié)構(gòu)和入射光吸收的差別導(dǎo)致正照射和背照射器件結(jié)構(gòu)中i層和p層厚度的選擇不同。

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