不同鈍化結構對非極性AlGaN-MSM紫外探測器性能的提升

賈　輝，梁　征，張玉強，石璐珊

(1.公安海警學院基礎部，浙江寧波　315801;　2.寧波科技信息研究院研究中心，浙江寧波　315040)

1　引　言

紫外探測是繼紅外和激光探測技術之后，又一種在軍民兩用領域具有廣泛應用價值的光電探測技術。在軍事方面，紫外探測技術可廣泛用于導彈制導系統、紫外通信技術對抗、生化武器分析等領域;在民用方面，紫外探測技術已被用于環境監測、火災預警、公安偵查以及皮膚病診斷與治療等領域［1-6］。光電倍增管與硅基紫外光電管［7］是目前比較常用的兩種紫外光電探測器，但是二者需要附帶昂貴復雜的濾光器而略顯笨重，且靈敏度偏低。第三代寬禁帶半導體(GaN、ZnO［8］、SiC［9］等)的帶隙覆蓋紫外范圍，制作的紫外探測器不僅可以去掉濾光器而便于攜帶，利于探測器的大規模集成;而且隨著研究的不斷深入，晶體質量不斷改善，制作高靈敏度、快速響應、低噪聲的紫外探測器成為可能。

作為制備紫外探測器的理想材料，GaN基［10］(InN、GaN、AlN及它們的二元、三元合金)半導體材料屬于直接寬帶隙，其制作的器件具有高內量子效率，室溫下只響應能量較高的紫外光子，可以不需要濾光系統進而排除可見光與紅外的干擾，辨別并探測到紫外信號。尤其是AlGaN半導體材料隨Al含量不斷提高，其帶隙可以從3.4 eV(對應波長365 nm)連續變化到6.2 eV(對應波長200 nm)，包含了可見盲紫外與日盲紫外光譜。AlGaN半導體材料具有擊穿電場高、電子飽和速度大、介電常數小、表面復合率低的特性，及抗腐蝕、耐高溫等良好的物理化學特性，可以在高溫、宇航等極端環境條件下工作［11］。因此，AlGaN半導體材料極適用于制作紫外探測器［5］，無論是在軍事還是民用方面具有廣泛的應用前景。

目前關于AlGaN紫外探測器的研究主要集中在極性c-AlGaN半導體材料上，但是極性c-AlGaN基器件存在極強的自發極化和壓電極化，這會引起量子限制斯塔克效應而限制內量子效率的提高。非極性AlGaN器件可以消除極化電場，克服電子與空穴波函數空間分離的問題，提高電子-空穴輻射復合效率、減小開啟電壓、增加發光強度、發光波長穩定(不隨注入電流變化而發生移動)。而且非極性AlGaN薄膜面內具有不對稱晶面進而存在光學各向異性［12-13］，是制作具有偏振敏感性(Polarization sensitive)紫外探測器的絕佳材料，通過偏振敏感性可以實現窄帶探測，從而提高探測器的整體性能。基于偏振信息的探測技術還能提高目標探測和地物識別的準確度，具有重要的應用價值，比如在地物遙感探測、水下探測、目標檢測、大氣探測、天文探測、醫學診斷、圖像處理和軍事等領域。

近年來，AlGaN半導體材料在紫外探測領域的研究發展迅速，但是制備高質量AlGaN外延薄膜(尤其是高Al組分)依然是制約AlGaN半導體材料在紫外探測領域取得突破的瓶頸。非極性AlGaN材料不僅與襯底之間存在較大的各向異性的熱膨脹系數失配和晶格失配，Al原子比Ga原子具有更小的擴散長度和更高的粘附系數，生長外延材料的前體之間也會發生寄生的氣相反應;而且非極性材料相對極性AlGaN生長面內吸附原子的遷移長度存在各向異性，即面內沿c方向的生長速率與m方向的生長速率不同等原因，使得非極性AlGaN半導體材料的外延生長相對極性AlGaN半導體材料的外延生長更加困難，故關于在非極性AlGaN外延薄膜上制備偏振敏感性紫外探測器的研究很少。由于大幅提高非極性AlGaN薄膜質量過于困難，本文主要研究在非極性AlGaN薄膜表面分別磁控濺射SiO2納米顆粒與SiO2鈍化層實現對紫外探測器性能的提升。

2　器件制備與表征

2.1　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的制備

實驗中未摻雜的1μm厚的非極性AlGaN薄膜在r面藍寶石襯底上采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法高溫生長。首先，樣品表面清理:先用有機溶劑除去表面的臟物，接著用2%的氫氧化鉀(KOH)溶液腐蝕30 s去除雜質，然后用高純去離子水(18 MΩ·cm－1)沖洗數遍，最后用高純氮氣吹干;然后，樣品鈍化工藝處理:利用磁控濺射在3個相同的清洗好的非極性AlGaN樣品依次磁控濺射SiO2，其中第一個為不處理樣品(None)，第二個樣品磁控濺射SiO2的時間較短形成SiO2納米顆粒(SiO2-NPs)，第三個樣品磁控濺射SiO2的時間較長而形成SiO2鈍化層(SiO2-Ls);最后，制作叉指電極:將經過不同鈍化處理的非極性AlGaN樣品置于電子束蒸發設備中，在樣品表面依次蒸發上約30 nm鎳與40 nm金，通過濕法化學腐蝕與光刻形成電極，之后在500℃的N2氛圍下退火3 min，得到非極性AlGaN-MSM結構的紫外探測器。

2.2　器件的性能及表征

通過掃描電鏡(SEM)表征了非極性AlGaN樣品與器件的表面形貌，并測定了非極性AlGaN樣品的光致發光(PL)譜;使用計算機控制的Keithley 617測試了器件的暗電流特性;并利用光源為150 W的氙燈，經過Si探測器定標后，通過計算機從鎖相放大器讀數的光譜響應測試系統測量了非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光譜響應度，測試偏壓為5 V。

圖1　非極性AlGaN-MSMSEM圖

圖2　非極性AlGaN的光致發光光譜，插圖為表面形貌。

3　結果與討論

3.1　樣品與器件的基本特性

非極性AlGaN-MSM紫外探測器的結構如圖1所示，可以清楚看到叉指電極的形狀，沒有發生粘連現象;探測器的光照面積較大，指間距與指寬分別為6μm與8μm。圖2給出了非極性AlGaN薄膜的光致發光譜，得到非極性AlGaN薄膜的光致發光峰出現在300 nm附近，而且出現了比較嚴重的帶邊，這主要是由于非極性AlGaN薄膜的晶體質量不高，含有大量的位錯而存在各種缺陷能級導致的。圖2插圖為非極性AlGaN薄膜的表面形貌的掃描電鏡圖片(SEM)，表面呈現出條紋狀的粗糙表面形貌，也說明了非極性AlGaN的外延質量不高，而且薄膜表面形貌具有一定的取向性。

3.2　探測器的暗電流特性

暗電流是探測器至關重要的一項性能指標，高的暗電流會引起大的噪聲而降低探測器的信噪比。經過不同處理的3組非極性AlGaN-MSM紫外探測器在室溫下的I-V特性的對比曲線如圖3所示，隨著偏壓從0增加到25 V，器件的暗電流均顯著増大;沒有經過鈍化處理的非極性AlGaNMSM紫外探測器在室溫25 V偏壓的情況下暗電流高達0.2μA，但是經過鈍化處理之后暗電流下降了1～2個數量級，接近nA量級。這比較接近在6.5 V偏壓下，截止波長為298 nm的極性AlGaN-MSM探測器的暗電流在nA量級的報道，而與截止波長為250 nm的暗電流已經達到了fA量級［14-15］的國際領先水平相差甚遠。鈍化處理可以降低探測器的暗電流，從而提高了探測器的這一性能指標。在相同偏壓下，通過鈍化處理的探測器的暗電流出現了顯著的下降，探測器的暗電流受偏壓變化的影響也較小;而且SiO2納米顆粒鈍化處理相比SiO2鈍化層處理的探測器的暗電流也出現了明顯的下降，更為穩定。高密度的位錯是GaN基探測器的暗電流的主要來源［16］，非極性AlGaN薄膜的晶體質量較差，存在更髙的缺陷密度，就造成非極性AlGaN-MSM紫外探測器在室溫下暗電流偏高，同時電極制備工藝的不成熟也是暗電流較大的一個原因。由于材料表面凹陷處也是位錯在非極性AlGaN薄膜表面的終端，根據能量最低原理材料表面缺陷處能量較低，SiO2也就容易在該位置開始成核沉積，從而使感光面上的位錯被有效鈍化，阻斷了位錯引起的電場空間分布的改變和載流子的傳輸通道，進而降低了AlGaN-MSM紫外探測器的暗電流。但是，相對磁控濺射SiO2納米顆粒，SiO2鈍化層磁控的時間較長對非極性AlGaN表面的濺射損傷更大，而且磁控濺射SiO2鈍化層會給非極性AlGaN表面帶來不可控制的氧化反應，正是表面的氧化反應以及高能離子濺射的損傷，導致材料表面的界面態密度變大，同時漏電通道也相應增加，從而產生更大的表面電流、表面耗盡層或近表面的隧穿電流等［17-18］。這正是磁控濺射SiO2納米顆粒、磁控濺射SiO2鈍化層后的器件暗電流不僅沒有降低反而有所增加的原因。

圖3　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的暗電流曲線

圖4　非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光譜響應曲線

3.3　探測器的光譜響應

圖4給出了5 V偏壓下，非極性AlGaN-MSM紫外探測器的光響應度與入射波長(260～360 nm)之間的關系即光譜響應特性。從圖4中的光譜響應曲線得到，探測器的光譜響應在300 nm附近出現峰值，對應著非極性AlGaN半導體材料的300 nm光致發光峰。在相同光照的情況下，相對沒有鈍化處理的探測器在280 nm處的響應峰值僅為0.825μA/W，磁控濺射了SiO2納米顆粒探測器響應峰值達到0.169 mA/W，而磁控濺射了SiO2鈍化層的探測器的響應峰值更是達到了0.566 mA/W，表明經過鈍化處理的探測器比未鈍化處理探測器的峰值響應提高了約3個數量級。如果用280 nm紫外光的光響應度與350 nm近可見光的光響應度比值作為紫外可見抑制比(Ratio of UV to visible)，則探測器的紫外可見抑制比也由未經過鈍化處理探測器的102，增加到經過鈍化處理的探測器的105，表現出優良的光選擇性。光譜響應表明經過鈍化處理的探測器顯示出了更高的量子效率和更為優良的光譜選擇性。

Herrera等研究指出SiO2納米顆粒可以提高GaAs電池的量子效率［19］，表明材料表面紋理的散射能提高材料對入射光的吸收。同樣在非極性AlGaN-MSM紫外探測器中也存在這種效應，當有入射光照射在探測器表面時，入射到AlGaN薄膜層中的光線會在SiO2納米顆粒表面發生大量散射，散射出的光線會在介質中其他的SiO2納米顆粒表面再次發生散射，從而實際上增加了光程長度，更多的入射光被吸收;同時SiO2納米顆粒還能起到鈍化表面而降低表面復合速率的作用，而且鈍化也可以減少兩電極之間的表面缺陷，使光生載流子在輸運過程中由于缺陷復合中心而難以復合而提高量子效率，基于以上原因SiO2納米顆粒可以在沒有影響非極性AlGaN-MSM紫外探測器響應速度的前提下提高探測器得光響應。SiO2鈍化層不僅起到鈍化的作用，而且SiO2鈍化層在非極性AlGaN表面成膜起到了增透的作用［20-21］，使得更多的入射光進入有源吸收區，其效果遠優于SiO2納米顆粒的散射，進而會提高光響應，這是SiO2鈍化層提高光響應的一個重要原因。更多的界面態可以產生更強的光電流已經被Carrano等報道［22］，SiO2鈍化層在非極性 AlGaN 表面引入了更多的界面態，導致更多的光生電子和空穴被兩個電極吸收后提高了光增益，這是SiO2鈍化層可以提高光響應的另一個可能原因，具體機制還有待進一步研究。

4　結　論

本文在MOCVD外延生長的非極性AlGaN外延薄膜上通過磁控濺射SiO2納米顆粒與SiO2鈍化層兩種工藝制作了AlGaN-MSM紫外探測器，并對器件的性能進行了測試。結果表明鈍化處理后的Al-GaN-MSM紫外探測器的性能得到了明顯的改善:暗電流下降了1～2個數量級，響應度峰值提升了接近3個數量級，紫外可見抑制比也由102提高到了105，顯示出優良的光譜選擇性和較高的量子效率。