AlGaN MSM結(jié)構(gòu)日盲型紫外探測(cè)器

楊蓮紅+張保花+王俊珺+魏偉

摘 要： 采用低壓?金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法在（0001）方向的AlN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)得到Al組分為40%的AlGaN材料，設(shè)計(jì)并制作了MSM型AlGaN 日盲紫外探測(cè)器。通過HRXRD，SEM，AFM對(duì)AlGaN材料進(jìn)行了表征，結(jié)果表明：該材料為六方相結(jié)構(gòu)，且應(yīng)變程度很小，粗糙度（RMS）為1.32 nm。通過測(cè)試器件在230～320 nm之間、在不同偏壓下的光譜響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)器件的截止波長(zhǎng)在285 nm附近，截止邊很陡峭；器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為275 nm；在7 V偏壓下，器件峰值響應(yīng)度達(dá)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(guān)鍵詞：日盲型； 紫外探測(cè)器； 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法； AlGaN； 光譜響應(yīng)

中圖分類號(hào)： TN23?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jìn)入21世紀(jì)，隨著科技的快速發(fā)展，紫外光福射和測(cè)量引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，紫外探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需求也日益增長(zhǎng)。在軍事領(lǐng)域中，紫外探測(cè)技術(shù)可用在導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紫外通信、生化武器輻射的探測(cè)等；在民用領(lǐng)域中，紫外探測(cè)技術(shù)可用于火焰探測(cè)、污染檢測(cè)、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、化學(xué)生物監(jiān)測(cè)、指紋檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[1?12]。

近年來，隨著新型Ⅲ?Ⅴ族半導(dǎo)體GaN基材料的發(fā)展，新型的AlGaN基紫外探測(cè)器成為研究熱點(diǎn)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xù)變化到AlN的6.2 eV，AlGaN材料制作的紫外探測(cè)器的截止波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)地可以連續(xù)從365 nm變化到200 nm，是制作日盲型紫外探測(cè)器良好材料之一。制作日盲紫外探測(cè)器的AlxGa1-xN材料必須是Al組分x達(dá)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(shù)小以及耐腐蝕耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣環(huán)境中工作[13]。因此，AlGaN基材料在紫外探測(cè)領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值。

金屬?半導(dǎo)體?金屬（MSM）光伏紫外探測(cè)器由兩個(gè)叉指形的背靠背肖特基二極管組成，它不需要進(jìn)行P型摻雜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于集成，并且有高靈敏度和高響應(yīng)度等特點(diǎn)，因此得到了普遍的關(guān)注。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用商用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在（0001）方向的AlN/藍(lán)寶石模板襯底上經(jīng)高溫烘烤后再生長(zhǎng)AlGaN，生長(zhǎng)溫度在1 150 ℃，可生長(zhǎng)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(cè)器。

采用PANalytical XPert Pro MRD三軸晶衍射儀（HRXRD）對(duì)材料的物相及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)紫外探測(cè)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(yīng)曲線的測(cè)試，較為詳細(xì)地分析了器件的性能。

2 表征及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中用以表征的Al0.4Ga0.6N材料層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 A1GaN材料層次結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 HRXRD表征及結(jié)果分析

為了顯示異質(zhì)外延系統(tǒng)中的應(yīng)變與缺陷存在的狀態(tài)，必須觀察倒易格點(diǎn)附近X射線散射強(qiáng)度的分布。為此不僅要觀察倒易格點(diǎn)的位置，更關(guān)心倒易格點(diǎn)的形狀。繪制倒易格點(diǎn)散射強(qiáng)度的分布，以展示倒易格點(diǎn)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(duì)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(yīng)變、應(yīng)力、晶面效應(yīng)及晶向效應(yīng)[14]。

圖2 二維倒易空間圖

根據(jù)材料的六方晶系中晶格常數(shù)和倒易空間矢量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出所生長(zhǎng)的材料的晶格常數(shù)為：[a=3.155 22]?，[c=5.114 83]?，其晶格常數(shù)介于AlN晶格常數(shù)和GaN晶格常數(shù)之間。

根據(jù)材料應(yīng)變與晶格常數(shù)之間的關(guān)系，可以得到材料的應(yīng)變值 [ε33=0.006 417%]，[ε11=-0.173%]。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出材料應(yīng)變值很小，說明材料的應(yīng)變程度很小。

2.2 形貌的表征及結(jié)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(jìn)一步使用AFM對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)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(jié)構(gòu)紫外光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 器件結(jié)構(gòu)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(fā)（PVD75型）在圖形上蒸發(fā)Ni/Au兩層金屬做電極，電極的厚度為20 nm/80 nm，經(jīng)過剝離工藝，形成梳狀叉指電極。叉指結(jié)構(gòu)如圖6所示。電極的寬度為10[μm，]間距為10[μm]和3[μm]，每個(gè)探測(cè)器件的感光面積為200[μm]×400[μm] 。

圖6 叉指電極的結(jié)構(gòu)

3.2 性能測(cè)試及結(jié)果分析

采用壓焊技術(shù)將器件的電極引出，測(cè)試和分析器件的電流?電壓特性和光譜響應(yīng)特性。

首先采用低噪聲直流電源對(duì)器件的電流?電壓（I?V） 特性進(jìn)行了測(cè)試，圖7為AlGaN MSM結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)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(duì)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(duì)稱性；在零偏壓時(shí)，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(wěn)定、噪音低、檢測(cè)信號(hào)的能力強(qiáng)；隨著偏置電壓的增加，探測(cè)器的暗電流增大。此現(xiàn)象由于鏡像力和隧道效應(yīng)影響使得勢(shì)壘高度隨反偏電壓的增加而略微下降造成的[15?17]。

進(jìn)一步研究器件的光譜響應(yīng)特性。測(cè)試中用氘燈作為光源，結(jié)合單色儀、鎖相放大器和經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)紫外增強(qiáng)型硅探測(cè)器，測(cè)試了器件的光譜響應(yīng)曲線。

圖8 器件的光譜響應(yīng)曲線

測(cè)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(yīng)曲線，如圖8所示。

測(cè)試結(jié)果表明：在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏壓下，器件的截止波長(zhǎng)在285 nm附近，這與理論計(jì)算的材料禁帶寬度4.3 eV[x=0.4]對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)波限為288 nm吻合。截止邊很陡峭，且隨著偏壓的升高響應(yīng)曲線的下降部分越陡峭，表明器件具有良好的波長(zhǎng)選擇性。器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為275 nm，為日盲紫外探測(cè)器。在7 V偏壓下，器件響應(yīng)度峰值達(dá)到2.8 mA/W。從230～290 nm，在0～7 V偏壓下，器件的響應(yīng)度隨著電壓增加而增大。但是在10 V偏壓下，響應(yīng)度卻相對(duì)下降。探測(cè)器的光電響應(yīng)除了體材料的響應(yīng)，還包含材料缺陷、位錯(cuò)、雜質(zhì)能級(jí)等其他響應(yīng)，當(dāng)偏壓超過一定數(shù)值后，可能激活了材料中的某些缺陷能級(jí)，從而導(dǎo)致光生載流子減少，光電響應(yīng)度有所下降。

4 結(jié) 語

本文使用商用低壓?金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在（0001）方向的AlN/藍(lán)寶石模板上生長(zhǎng)得到Al組分為40% 的AlGaN材料，制作了MSM型AlGaN日盲紫外探測(cè)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(duì)AlGaN材料進(jìn)行了表征，材料表面平整，應(yīng)變程度很小，粗糙度（RMS）為1.32 nm。測(cè)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(yīng)曲線，器件的截止波長(zhǎng)在285 nm附近，截止邊很陡峭。器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為275 nm。在7 V偏壓下，器件峰值響應(yīng)度為2.8 mA/W。在零偏壓時(shí)，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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