熱退火對氮鋁鎵MSM結構紫外光電探測器性能的影響

邢大林，趙曼，唐亮，王嘉，李健

(1.吉林市計量測試技術研究院，吉林 132013；2.空軍航空大學 特種專業(yè)系，長春 130022)

紫外光電探測器是短波光電器件研究領域的熱點。這主要是由于其應用范圍非常的廣泛。紫外光電探測器被稱作是21世紀“電子戰(zhàn)”的重要武器，尤其是在軍用方面紅外探測與反紅外探測的研究較為成熟，更加凸顯了紫外探測器研究的緊迫性以及對國防建設的重要性。此外在民用方面，它可以被應用到火災探測、水銀消毒等方面。由于半導體材料研究的較為成熟[1-3]，因而人們采用半導體作為紫外探測器的制備材料。目前，氮鋁鎵(AlxGa1-xN)半導體合金成為了紫外探測器的首選，這主要是因為AlxGa1-xN合金薄膜具有如下的優(yōu)點：(1)直接帶隙半導體材料。(2)大的帶隙，從 3.4～6.2eV之間連續(xù)變化，覆蓋整個紫外波段。(3)強的抗輻射性、耐腐蝕性。這些優(yōu)點使AlxGa1-xN合金薄膜更加適合制備復雜的器件[4-9]。

紫外光電探測器的金屬-半導體-金屬(MSM)叉指電極結構是由兩個背靠背的 Scottky二極管組成，它具有制作簡單、暗電流小、響應度大、響應時間快等優(yōu)點，是目前紫外光電探測器主要采用的結構之一。眾所周知，對薄膜進行熱退火處理，可以提高薄膜的晶體質量，同樣對二極管器件進行熱退火處理可以降低器件的暗電流[10]。因此，本文通過對AlxGa1-xN探測器進行熱退火處理的辦法，降低其暗電流并對退火條件下器件的其它參數(shù)進行了分析。

1 實驗

本實驗分別采用三甲基鎵(TMGa)和三甲基鋁(TMAl)作為Ga源和Al源，載氣選用(99.999%)H2。首先，藍寶石襯底上生長高質量的1m厚度的GaN薄膜，之后生長 A1N緩沖層，生長溫度為1373K，生長時間約為30s，生長的緩沖層的厚度約為10nm。之后進行AlxGa1-xN合金薄膜層生長，引入Ga源和Al源，合金薄膜的生長時間為1h，其中Ga源和Al源的流量分別為30sccm和8sccm。圖1為AlxGa1-xN合金薄膜生長模型圖，經過電子能譜分析得到合金薄膜中 Al的組分為0.25。之后，我們選用高純(99.999%)Au作為金屬電極，通過熱蒸發(fā)的方法制備得到的電極的厚度約為50nm。采用紫外曝光和濕法刻蝕的方法，制備平面的MSM叉指電極結構，電極叉指寬度為5m，電極叉指長為500m，電極叉指間距為5m。

圖1 AlGaN合金薄膜生長模型圖Fig.1 Structure of AlGaN alloy film growth model

器件響應度的測試選用 150W 的氙燈作為光源，光源經過單色儀和單色儀前的凸透鏡照射到器件上，并通過鎖相放大器提取電壓信號。所有的Al0.25Ga0.75N肖特基結構紫外探測器的測試，都采用標準的Si基紫外光電探測器進行標定。器件的暗電流則是通過 Keithley 4200型半導體分析儀測試得到。器件的響應時間光源選用脈寬為10ns的266nm Nd-YAG激光器。

2 結果與討論

退火是提高器件性能一個強有力的手段，首先可以減少表面態(tài)缺陷密度，降低暗電流，其次也可以改善金屬電極與薄膜的接觸，當然同時也可以提高薄膜的晶體質量，釋放掉一定的內部應力。根據(jù)肖特基勢壘理論，勢壘的高度由接觸金屬電極的功函數(shù)和半導體薄膜的電子親和能的差確定。但一般來說，Al0.25Ga0.75N薄膜表面存在約2nm左右的自然氧化層，而且金屬與半導體的實際接觸與理論有一定的差別，往往受到溫度、表面態(tài)等因素的影響。根據(jù)J.A.Chisholm[11]等人報道的結果，我們在制備金屬接觸電極的時候，一些Au原子將會以填隙雜質形式存在于半導體薄膜當中，這必將導致薄膜中出現(xiàn)一些缺陷，致使金屬與半導體的接觸勢壘降低而暗電流偏大。圖2為Al0.25Ga0.75N探測器在管式爐中N2氣氛下退火10min的暗電流I-V曲線，退火的溫度條件分別是： 773，873，973，1073K及室溫條件。

圖2 不同退火溫度下Al0.25Ga0.75N MSM結構紫外光電探測器暗電流I-V特性曲線Fig.2 I-V curves at different annealing temperature of the Al0.25Ga0.75N MSM photodetector in dark

從圖2可知，在退火溫度為973K時，器件的暗電流最小，20V偏壓下達到300pA。這說明在一定的溫度條件下，以填隙雜質形式存在的Au原子可以從外界獲得足夠的能量，去填充Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的N空位、Al空位或者是Ga空位，在合金薄膜中形成替代式雜質。我們知道AlxGa1-xN是一種半導體合金薄膜，間接說明在薄膜中必然存在著一定的電子濃度，絕大多數(shù)研究人員認為其導電性是由 N空位造成的。所以我們認為薄膜中的填隙Au原子主要用來填充N空位，這樣N空位被替代式雜質所取代，所以薄膜中的深能級缺陷將減少，這樣就會在一定程度上提高器件的性能，如降低暗電流，提高電子與空穴的分離效率等。值得一提的是退火溫度達到1073K時，器件的暗電流反倒增加。這主要是由于表面的N空位被Au原子填充達到飽和后，由熱擴散進入Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的Au原子又將以填隙雜質的形式存在，所以使器件的暗電流增加。

圖3 不同退火溫度下器件的響應度。插圖為器件在室溫條件下1V偏壓下的響應度圖譜Fig.3 The responsivities of the device at different annealing temperature.The inset shows the responsivity spectrum of the device at room temperature

圖3的插圖為器件在室溫1V偏壓下的響應度圖譜，可以看到器件響應度的最大值為0.07A/W，峰值的波長為308nm。經過退火后，可以看到器件的響應度明顯的增加。當退火溫度為1073K時，器件在1V偏壓下響應度最大值達到3.25A/W。理論上來說，具有結型的器件一般是沒有增益現(xiàn)象的。但是根據(jù)我們的經驗判斷，如果結效應不是特別強，也會出現(xiàn)一定的增益現(xiàn)象。我們首先假定在沒有增益的前提條件下，探測器的極限響應度公式可以表示成為[12]：

其中S為器件的叉指間的距離，W為每個叉指電極的寬度，通過計算得到 Rlimit值為0.180A/W，而器件在沒有退火測得的響應度的值為0.07A/W，所以我們判定器件中存在著一定的增益效應。由于Al0.25Ga0.75N薄膜與襯底的晶格結構不匹配，必然在薄膜中存在著一定的缺陷密度，其中就存在著大量的空穴陷阱。而又由于電極與半導體接觸的勢壘內電場不足夠高，被俘獲的空穴就會從半導體一側吸引電子以維持體內的電平衡，但又會在內電場的作用下被吸引走，而被俘獲的空穴由于有效質量較大不會被輕易掃走，并且會不斷的吸引電子，所以器件中會長時間存在通過電流，直到被俘獲的空穴被吸引的電子中和掉為止，因此這就在一定的程度上延長了空穴的壽命，所以器件中會出現(xiàn)一定的增益現(xiàn)象。

圖4 973K和1073K退火后Al0.25Ga0.75N紫外探測器的響應時間譜。插圖為未退火器件的響應時間譜線Fig.4 Response time spectra of the Al0.25Ga0.75N UV photodetector after 973 and 1073K thermal annealing.The inset shows the response time spectrum of the device without annealing

圖4為973K和1073K退火溫度下器件的響應時間譜線。插圖為1V偏壓下未退火器件的上升時間為10ns，下降時間為190ns(10%～90%)。在退火溫度為973K時，縮短了器件的響應時間，下降時間為110ns。在退火溫度為1073K時，下降時間為2.3s，器件的響應時間被大大的延長，進一步說明器件中存在著一定的增益現(xiàn)象。

3 結論

我們采用MOCVD的方法在Al2O3襯底上制備了MSM結構的Al0.25Ga0.75N紫外光電探測器，并分析了不同退火溫度條件對器件性能的影響。器件在經過1073K的溫度退火后，響應度得到了一定程度的提高，1V偏壓下在308nm波長處，響應度的峰值達到3.25A/W，器件中存在著增益現(xiàn)象，但響應時間和暗電流都有所增加。但當退火溫度為973K時，器件的暗電流在20V偏壓下為300pA，而下降時間為110ns，遠小于1073K退火時器件的下降時間2.3s。因此我們的下一步工作目標就是既提高器件的響應度又提高器件的響應時間。

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