GaN基p-i-n和肖特基紫外探測器的響應光譜及暗電流特性

易淋凱， 黃佳琳， 周 梅*， 李春燕*， 趙德剛

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學理學院 應用物理系， 北京 100083； 2. 中國科學院半導體研究所 集成光電子國家重點實驗室， 北京 100083)

GaN基p-i-n和肖特基紫外探測器的響應光譜及暗電流特性

易淋凱1， 黃佳琳1， 周 梅1*， 李春燕1*， 趙德剛2

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學理學院 應用物理系， 北京 100083； 2. 中國科學院半導體研究所 集成光電子國家重點實驗室， 北京 100083)

研究了p-i-n型和肖特基型GaN基紫外探測器的響應光譜和暗電流特性。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著p-GaN層厚度的增加，p-i-n型紫外探測器的響應度下降，并且在短波處下降更加明顯。肖特基探測器的響應度明顯比p-i-n結構高，主要是由于p-GaN層吸收了大量的入射光所致。肖特基型紫外探測器的暗電流遠遠大于 p-i-n型紫外探測器的暗電流，和模擬結果基本一致，主要是肖特基型探測器是多子器件，而p-i-n型探測器是少子器件。要制備響應度大、暗電流小的高性能GaN紫外探測器，最好采用p-GaN層較薄的p-i-n結構。

GaN; 紫外探測器; 響應度; 暗電流

Abstract: The spectral response and dark current of p-i-n type and Schottky barrier GaN-based ultraviolet detectors are investigated. It is found that the responsivity of p-i-n detectors decreases with increasing thickness of p-GaN layer in p-i-n structure detectors , and the downward trend of responsivity is more pronounced at shorter wavelength of incident light . The responsivity of the Schottky barrier detector is obviously higher than that of the p-i-n structure, mainly because a lot of incident photons are absorpted in the p-GaN layer. The dark current of Schottky barrier ultraviolet detectors is far larger than the p-i-n ultraviolet detectors, and the results are basically consistent with the simulations, mainly because the Schottky detectors are majority carrier devices, and p-i-n detectors are minority carrier devices. To fabricate high performance GaN ultraviolet detectors, it is better to employ p-i-n structure with very thin p-GaN layer.

Keywords: GaN; ultraviolet detectors; responsivity; dark current

1 引 言

氮化鎵(GaN)基材料被稱為第三代半導體，其光譜范圍覆蓋了近紅外到紫外多個波段，在半導體光電子學領域有重要的應用價值[1-2]。GaN基紫外探測器具有可見光盲、耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特性，可應用于火災告警、大氣探測等領域，得到了國內(nèi)外的重視。經(jīng)過多年發(fā)展，已先后研制出pn結型、p-i-n型、肖特基型(Schottky)、金屬-半導體-金屬(MSM)型等多種結構GaN基紫外探測器[3-12]，目前研究比較廣泛的是p-i-n型和肖特基型。

本文利用藍寶石襯底上生長的GaN材料制作了兩種類型的紫外探測器，針對其響應光譜和暗電流特性進行了測量和分析。研究結果表明：隨著p-GaN層厚度的增加，p-i-n探測器的響應度下降，并且在短波處變化更明顯。肖特基探測器的響應度更大，但是肖特基型紫外探測器的暗電流比 p-i-n型紫外探測器的暗電流大得多。要制備高性能的探測器，應該選擇p-GaN層較薄的p-i-n結構。

2 器件結構與制備過程

研制了GaN基 p-i-n型探測器和肖特基型探測器。制備探測器所用的材料是用英國Thomas Swan公司生產(chǎn)的金屬-有機物化學氣相沉積(MOCVD)反應器在c面藍寶石襯底上生長而成。p-i-n探測器的材料生長過程如下：在藍寶石襯底上530 ℃生長一薄層低溫GaN緩沖層，然后在1 050 ℃高溫下生長1.5 μm的n+-GaN層，再生長一層0.3 μm非故意摻雜的i-GaN層，最后生長p-GaN層。肖特基探測器的材料只是沒有生長p-GaN層，其余和p-i-n探測器生長過程相同(此時肖特基結構相當于p-GaN厚度為0時的p-i-n結構)。材料生長結束以后，經(jīng)過光刻、刻蝕、鍍膜等工藝，制備出p-i-n和肖特基紫外探測器。其中n型電極為Ti/Al，p型電極為Ni/Au，肖特基電極為Ni/Au。實驗中制備了兩個p-i-n探測器A和B，其中器件A的p-GaN層厚度為0.1 μm，器件B的p-GaN層厚度為0.25 μm。肖特基探測器樣品標號為C。圖1所示為兩種結構紫外探測器的分層結構圖。

為了評價材料的質量，采用日本理學公司生產(chǎn)的高分辨率X射線衍射儀進行測量。3個器件的材料雙晶衍射ω掃描搖擺曲線的半高寬相差很小，(002)面約為210 arcsec、(102)面約為230 arcsec，意味著3個器件的位錯密度相差不大并且質量較好[13]。

圖1 p-i-n型(a)和肖特基型(b)GaN基紫外探測器結構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of p-i-n(a)and Schottky(b) GaN-based ultraviolet detectors

3 結果與討論

我們首先研究了p-GaN層厚度對p-i-n探測器的響應度的影響，并且比較了p-i-n結構和肖特基結構的區(qū)別，分析了原因，然后進一步研究了器件的暗電流特性，又進行了模擬，與實驗結果符合較好，這將對器件的設計和制備起到重要的參考作用。實驗中，器件的光譜響應測試系統(tǒng)采用氙燈做光源，通過單色儀后照到待測器件，器件產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大器放大后由計算機采集，用校正的Si探測器進行定標。采用Keithley 2400源表測量器件的I-V特性曲線。

圖2為p-i-n結構探測器A和B與肖特基探測器C的響應光譜曲線，可以看出：在0偏壓下， 器件A的峰值響應度為0.13 A/W，器件B的峰值響應度為0.08 A/W，器件C的峰值響應度是0.20 A/W。顯然，肖特基探測器比p-i-n探測器的響應度更高，而且對于p-i-n探測器，隨著p-GaN層厚度的增加，器件的響應度下降。

根據(jù)基本的探測器物理，組成p-i-n探測器的光電流主要是3部分[14]：p層擴散區(qū)，i層耗盡區(qū)，n層擴散區(qū)。對于p和n層的擴散區(qū)來說，只有在距離耗盡區(qū)擴散長度內(nèi)的光生載流子才可以擴散到耗盡區(qū)，通過內(nèi)建電場的形式掃出，形成光電流。所以p-i-n探測器的光電流主要來源是i層耗盡區(qū)光生電子空穴對的分離。p-i-n型探測器的有源區(qū)為i-GaN層。當光照射到器件表面上時，p層有較強的吸收。當p層厚度增大時，光子被吸收的多，實際上透入到i-GaN層中的光子就少，產(chǎn)生的光電流也就較小。肖特基型探測器可以看做沒有p層或者可等效為p層厚度為0的p-i-n結構，其有源區(qū)為i-GaN層中的耗盡部分，此時光子直接通過透明電極入射到有源區(qū)，不存在其他層的吸收損失問題，所以肖特基探測器響應度比較大，并且隨著p層厚度增大，p-i-n探測器的響應度下降。實際制備中，應盡量選擇p層較薄的器件結構。

圖2 探測器的光譜響應曲線

Fig.2 Spectral response of the GaN-based ultraviolet detectors

對3個器件按照峰值響應度進行歸一化處理，結果如圖3所示。隨著入射光波長的減小，3個器件的響應度都逐漸減小，其中器件C的變化幅度最小，器件B的變化幅度最大。這主要是因為在短波處，光子的吸收系數(shù)大、透入小。光照射到器件表面時，必然會存在吸收，p層吸收的越多，則i-GaN層的光電流越小。所以p-GaN較厚的器件在短波處響應度變化比較明顯，而肖特基探測器的響應光譜相對變化較小。我們還利用美國賓州大學提供的AMPS(Analysis of Microelectronic and Photonic Structures)軟件對器件A、B、C的光譜響應進行了理論模擬。該軟件通過數(shù)值求解泊松方程和連續(xù)性方程，得到器件的物理性質，是一個對半導體器件進行性質分析的有力工具[15-16]。模擬結果如圖4所示。隨著p-GaN層厚度的增加，p-i-n探測器的響應度降低，p-GaN層厚度為0時的肖特基探測器響應度最高。實驗和理論都發(fā)現(xiàn)肖特基探測器的響應度比p-i-n探測器響應度大，并且隨著p-GaN層厚度的增加，p-i-n探測器的響應度下降得更快。

圖3 3個器件按照峰值響應度歸一化后的光譜響應曲線

Fig.3 Normalized spectral response curves of the three detectors

我們還研究了器件的暗電流特性，圖5為探測器A(p-i-n型)和C(肖特基型)的電流-電壓特性曲線。在-10 V偏壓下，器件A的暗電流為1×10-7A，器件C的暗電流為1×10-3A。顯然，肖特基型探測器的暗電流比p-i-n型探測器暗電流大得多。這主要是p-i-n型探測器屬于少子器件，反向暗電流是由器件中的少子形成的；而肖特基型探測器屬于多子器件，在反向偏壓下，由金屬內(nèi)的自由電子渡越到半導體內(nèi)形成反向暗電流。一般來說，多子器件的反向暗電流要遠大于少子器件。另外，肖特基型探測器內(nèi)的肖特基結容易受到表面態(tài)的影響，載流子通過表面態(tài)更容易隧穿越過勢壘，從而在器件中形成更大的反向暗電流。暗電流越大，器件的暗電流噪聲也越大。針對上述現(xiàn)象，我們用AMPS軟件做了理論模擬，結果如圖6所示。其中，肖特基型紫外探測器和器件C的結構一樣，p-i-n型探測器和器件A的結構一樣。顯然，肖特基型紫外探測器的暗電流比p-i-n型探測器的暗電流大很多。

圖4 探測器的光譜響應度模擬曲線

Fig. 4 Simulated spectral response curves of the GaN-based ultraviolet detectors

圖5 探測器A(p-i-n型)和C(肖特基型)的電流-電壓特性曲線

Fig.5 Current-voltage characteristics of A (p-i-n structure) and C (Schottky barrier structure ) detectors

圖6 p-i-n型(A)和肖特基型(C)探測器的電流-電壓模擬曲線

Fig.6 Current-voltage simulation curves of A (p-i-n) and C (Schottky) detectors

4 結 論

制備了p-i-n型和肖特基型GaN基紫外探測器，并對其響應度和暗電流特性進行了研究。實驗結果表明：肖特基探測器響應度比p-i-n探測器響應度更高，并且隨著p層厚度增加，p-i-n探測器的響應度下降，和理論模擬結果基本一致。進一步比較了p-i-n型和肖特基型GaN基紫外探測器的暗電流特性，實驗和模擬結果都表明，肖特基型GaN基紫外探測器的暗電流噪聲比p-i-n型GaN基紫外探測器的暗電流噪聲大很多。綜合來看，要制作出響應度高、暗電流小的GaN紫外探測器，應該選用p-GaN厚度較薄的p-i-n結構。

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易淋凱(1991-)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，2015年于河南工業(yè)大學獲得學士學位，主要從事GaN基紫外探測器的研究。

E-mail: 1009721110@qq.com李春燕(1980-)，女，安徽蚌埠人，博士，副教授，2008年于中國科學技術大學獲得博士學位，主要從事激光光譜及檢測的研究。

E-mail: chunyanl@cau.edu.cn周梅(1973-)，女，山東淄博人，博士，副教授，2005年于中國科學院上海技術物理研究所獲得博士學位，主要從事半導體光電子器件的研究。

E-mail: mmmzhou@126.com

SpectralResponseandDarkCurrentofp-i-nTypeandSchottkyBarrierGaN-basedUltravioletDetectors

YI Lin-kai1, HUANG Jia-lin1, ZHOU Mei1*, LI Chun-yan1*, ZHAO De-gang2

(1.DepartmentofPhysics,ChinaAgricultureUniversity,Beijing100083，China; 2.StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)

*CorrespondingAuthors,E-mail:mmmzhou@126.com;chunyanl@cau.edu.cn

TN304.2

A

10.3788/fgxb20173810.1327

1000-7032(2017)10-1327-05

2017-03-14；

2017-04-17

國家自然科學基金(61474142,21403297,11474355)資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China(61474142,21403297,11474355)