GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器

朱斌 鄧文娟 王壯飛 周甜 吳粵川

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 江西省南昌市 330013）

1 引言

隨著半導(dǎo)體行業(yè)和探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們不再滿(mǎn)足于對(duì)單色波段的探測(cè)，探索方向逐漸轉(zhuǎn)為對(duì)多色波段的探測(cè)。因高晶體質(zhì)量紫外光敏材料外延生長(zhǎng)問(wèn)題的逐漸解決，研究人員逐漸拓寬了對(duì)雙色集成光電探測(cè)器材料的選擇。其中，以氧化物材料和Ⅲ族氮化物材料研究為主。而以GaN為代表的Ⅲ族氮化物材料具有寬禁帶、高電子飽和速率等優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)制備大功率、抗輻射等器件，是有廣泛應(yīng)用前途的子帶間光電子器件材料。AlGaN是直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙隨Al組分的變化而變化，是極好的紫外光敏材料，隨著Ⅲ族氮化物量子阱紅外探測(cè)(QWIP)的研究發(fā)展，GaN基材料逐漸成為雙色探測(cè)的首選材料。當(dāng)前GaN基紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器在快速發(fā)展，但大多數(shù)是以異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為主的，關(guān)于GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器的相關(guān)報(bào)導(dǎo)還是較少的。

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備，通常要對(duì)外延生長(zhǎng)的化合物摻雜。當(dāng)前，GaN基p摻雜的研究進(jìn)展緩慢，主要是因?yàn)镚aN纖鋅礦結(jié)構(gòu)中鎵原子和氮原子之間的共價(jià)鍵能量強(qiáng)，且低阻p型AlGaN材料獲得難度隨Al組分增加而增加。當(dāng)前研究表明對(duì)GaN基材料進(jìn)行p摻雜較為困難，能夠達(dá)到的p摻雜濃度約為10cm～10cm，繼續(xù)對(duì)其摻雜并不會(huì)提高其濃度。目前關(guān)于p摻雜的GaN基雙色集成光電陰極文獻(xiàn)幾乎未見(jiàn)報(bào)道，因而更需要對(duì)其進(jìn)行仿真研究來(lái)獲得摻雜濃度的改變對(duì)陰極結(jié)構(gòu)的影響，這對(duì)實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

本文設(shè)計(jì)了一種P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，探測(cè)器通過(guò)帶間躍遷實(shí)現(xiàn)紫外光探測(cè)，通過(guò)子帶間躍遷實(shí)現(xiàn)紅外光探測(cè)。在不外加電場(chǎng)的條件下，光生載流子依靠?jī)?nèi)部存在的極化電場(chǎng)和內(nèi)建電場(chǎng)輔助下進(jìn)行隧穿和電子輸運(yùn)，最后發(fā)射至真空中從而實(shí)現(xiàn)光探測(cè)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)和器件制備

本文設(shè)計(jì)了一種在藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)的P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)述了其器件的工藝制備步驟并分析了其光譜響應(yīng)特性。首先，簡(jiǎn)單說(shuō)明了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、探測(cè)峰波長(zhǎng)的計(jì)算和光學(xué)仿真結(jié)果；隨后，介紹了材料生長(zhǎng)、表征和光譜測(cè)試；最后，進(jìn)行光電探測(cè)器器件的制備并測(cè)試其在室溫、零偏壓下的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)并分析其特性。

GaN/AlGaN紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)仿真結(jié)果如圖1所示。結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，在藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)3μm的AlN緩沖層；接著是200nm厚P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN下帽層；接著多量子阱層有源區(qū)，其中勢(shì)阱層是由單個(gè)3nm厚P型摻雜濃度為5×10cm的GaN和20個(gè)13nm厚的低P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN組成，勢(shì)壘層是由13nm厚的低P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN組成；在多量子阱層有源區(qū)上是200nm厚Mg摻雜濃度為1×10cm的AlGaN上帽層；最后是3nm厚的Mg摻雜濃度為1×10cm的GaN發(fā)射層。

圖1

光電探測(cè)器探測(cè)峰值可由下式（1）計(jì)算：

式中：E為阱中基態(tài)能級(jí)；E為阱中激發(fā)態(tài)能級(jí)；h為普朗克常量；c為光速。其中，下式（2）為量子阱分立的能量本征值計(jì)算公式：

由式（1）、（2）可以得到對(duì)于P-GaN勢(shì)阱層來(lái)說(shuō)，當(dāng)紅外光照射時(shí)，光電探測(cè)器的探測(cè)峰值約為1.84μm和0.70μm。

如圖1(b)所示為根據(jù)Silvaco TCAD仿真得到的光譜響應(yīng)圖，從圖中可以看出光電探測(cè)器在紫外光照射時(shí)具有好的光譜響應(yīng)，在220nm-260nm波長(zhǎng)間響應(yīng)度最好；在可見(jiàn)光波段下具有“日盲”特性；在紅外光照射時(shí)，其在1.8μm處有一好的響應(yīng)峰值，在0.8μm處有一小的峰值；但相較于紫外光來(lái)說(shuō)，其光譜響應(yīng)度還是較低的。

本文是利用化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)光電探測(cè)器外延層結(jié)構(gòu)。在生長(zhǎng)之前，先對(duì)襯底進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)和污跡；然后通過(guò)改變生長(zhǎng)溫度、壓力、氫氣和氨氣的流量、鋁源和鎵源的流量、Mg元素?fù)诫s量等參數(shù)來(lái)控制外延層各層的厚度等。如圖2所示為對(duì)生長(zhǎng)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡(SEM)、X射線(xiàn)衍射(XRD)表征和分光光度計(jì)測(cè)試結(jié)果圖，由圖2(a)掃描電鏡截面觀察圖可以看出其具有幾個(gè)明顯的分層，經(jīng)過(guò)對(duì)截面厚度測(cè)距后發(fā)現(xiàn)實(shí)際生長(zhǎng)厚度與設(shè)計(jì)厚度有些許誤差，但整體誤差不大，這是因?yàn)樵趯?shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中需要控制變量太多，容易出現(xiàn)對(duì)時(shí)間把握度不夠從而出現(xiàn)誤差。圖2(b)為X射線(xiàn)衍射測(cè)試結(jié)果圖，其采用的是θ/θ掃描方式，根據(jù)公式（3）、（4）、（5）可以計(jì)算出量子阱的周期長(zhǎng)度、對(duì)應(yīng)衍射峰的晶格常數(shù)和Al組分值等：

圖2

由上述公式可以求得其衍射峰的晶格常數(shù)為5.145?，Al組分值為20.1%，量子阱有源區(qū)的一周期長(zhǎng)度為27.63nm，20周期下的長(zhǎng)度為552.6nm，這與本文設(shè)計(jì)的探測(cè)器結(jié)構(gòu)量子阱有源區(qū)厚度基本一致，與SEM觀察截面所得到的量子阱有源區(qū)整體厚度值也是基本一致的。

對(duì)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征后使用UV-4150分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行光譜測(cè)試，本文是使用的是漫反射測(cè)試原理對(duì)其進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光波段的測(cè)試，如圖2(c)所示為漫反射測(cè)試原理下的吸光度曲線(xiàn)，從圖中可以看出當(dāng)紫外光照射時(shí)，測(cè)得的吸光度在250nm處和300nm處都存在一峰值，且整體紫外光波段下的吸光度都很高；當(dāng)可見(jiàn)光照射結(jié)構(gòu)時(shí)，其吸光度很低，幾乎為0，這與圖1(b)仿真所得的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)趨勢(shì)基本是保持一致的。由于量子阱的子能帶吸收存在一量子選擇定則，即對(duì)于普通垂直于量子阱表面的光是不能夠被吸收的，故而需要測(cè)試光源與樣品之間存在一定角度，但由于分光光度計(jì)的光源是固定的，而將樣品變動(dòng)與光源呈現(xiàn)角度時(shí)，樣品就不能夠緊貼反射積分球，就會(huì)出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，從而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性與不穩(wěn)定性，因而本文未對(duì)樣品進(jìn)行紅外光波段的光譜測(cè)試。

在對(duì)生長(zhǎng)結(jié)果后進(jìn)行表征測(cè)試后進(jìn)行器件的制備，整個(gè)器件制備流程主要分為以下六部分：

（1）對(duì)刻蝕區(qū)域的光刻；

（2）對(duì)無(wú)光刻膠覆蓋區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕；

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電極區(qū)域的二次光刻；

（4）對(duì)二次光刻后的結(jié)構(gòu)使用熱阻蒸發(fā)法進(jìn)行金屬薄膜的沉積；

（5）對(duì)光刻膠上沉積的金屬薄膜進(jìn)行剝離；

（6）對(duì)制備完成的器件進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)試這六大部分。

最終得到如圖1(a)所示的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

本文使用的是Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來(lái)對(duì)制備的器件進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試。其設(shè)備內(nèi)部有4根金屬微米探針，標(biāo)號(hào)P1、P2、P3、P4，測(cè)試時(shí)將探針接觸于樣品電極上，通過(guò)顯示器對(duì)其設(shè)置外加偏壓電壓的大小來(lái)測(cè)量相應(yīng)條件下電流值等。

本文首先測(cè)量的是樣品在暗室條件下的I-V特性曲線(xiàn)，將制備的器件放置進(jìn)參數(shù)分析儀設(shè)備中，設(shè)置其測(cè)試電壓-5～5V，測(cè)得其暗室條件下的I-V特性曲線(xiàn)如圖3(a)所示，從圖中可以看出蒸鍍金屬Au樣品接觸為肖特基接觸，存在肖特基勢(shì)壘，這就可能會(huì)對(duì)后續(xù)光電流的隧穿造成影響。

圖3

在完成樣品暗室條件下I-V特性曲線(xiàn)測(cè)試后，本文接著測(cè)試樣品在不同波長(zhǎng)光照射下的光譜響應(yīng)。由于缺乏連續(xù)波段的光源，故而選擇購(gòu)買(mǎi)單色的紫外波段、可見(jiàn)光波段、紅外波段的光源來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。將樣品放置于半導(dǎo)體參數(shù)分析儀中，設(shè)定外加偏置電壓為0V，通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的光源照射樣品從而測(cè)定其產(chǎn)生的電流值，再將產(chǎn)生的電流值減去暗電流從而得到樣品本身在外加光源照射時(shí)產(chǎn)生的光電流值。如圖3(b)所示為計(jì)算后得到的樣品在不同波長(zhǎng)光照射下產(chǎn)生的光電流值與光功率比值得到的光譜響應(yīng)值，由圖可知，當(dāng)紫外光照射時(shí)，樣品有好的光譜響應(yīng)，在253.7nm處的光譜響應(yīng)為8.47mA/W，因?yàn)镚aN基材料本身就是紫外光敏材料，但由于目前有的紫外波長(zhǎng)為253.7nm和365nm，因此暫時(shí)不能知道器件在其它紫外光波段光源照射下的響應(yīng)值是否高于已知的光譜響應(yīng)；當(dāng)可見(jiàn)光照射時(shí)，器件響應(yīng)弱，響應(yīng)度幾乎為0，這也從側(cè)面說(shuō)明了器件具有“日盲”特性；當(dāng)紅外光照射時(shí)，器件在780nm處有一個(gè)響應(yīng)峰值，其光譜響應(yīng)為0.013mA/W，隨著波長(zhǎng)的增加，光響應(yīng)逐漸變?nèi)?，這與光學(xué)仿真所得趨勢(shì)基本一致；但由于目前只有780nm～1μm之間的紅外光源，因此器件是否在1.8μm處有另一個(gè)響應(yīng)峰值還處于未知狀態(tài)。

對(duì)于量子阱光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，暗電流是其關(guān)鍵指標(biāo)，在GaN基量子阱紅外探測(cè)器中，暗電流來(lái)源主要有兩方面：

（1）由基態(tài)電子隧穿導(dǎo)致的；

（2）由于缺陷和位錯(cuò)導(dǎo)致的，而因?yàn)椴牧蟽?nèi)部位錯(cuò)導(dǎo)致的漏電通道是造成暗電流增加的主要原因。

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在紅外光照射下，電流值很低，分析其原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）GaN基外延材料晶體質(zhì)量差，大量位錯(cuò)密度存在于量子阱中，從而導(dǎo)致漏電流很大，光響應(yīng)信號(hào)很難被探測(cè)；

（2）因?yàn)槎嗔孔于逵性磪^(qū)截面生長(zhǎng)粗燥，從而導(dǎo)致噪聲信號(hào)增加，從而使得微弱的光信號(hào)難以被探測(cè)；

（3）因?yàn)槎嗔孔于逯写嬖谥鴱?qiáng)大的極化場(chǎng)，從而使得能帶傾斜劇烈，基態(tài)能級(jí)下降，激發(fā)態(tài)能級(jí)上升，電子被束縛在基態(tài)能級(jí)，這將導(dǎo)致ISBT躍遷的光子很難被輸運(yùn)到電極處；

（4）因?yàn)榻饘貯u與樣品接觸為肖特基接觸，存在肖特基勢(shì)壘，故而在無(wú)外加電壓的情況下，電子難以隧穿勢(shì)壘跑出來(lái)。

4 結(jié)論

綜上，本文設(shè)計(jì)了一種P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工作在室溫、零偏壓下；通過(guò)使用Silvaco TCAD軟件對(duì)其進(jìn)行光學(xué)特性仿真得到其光譜響應(yīng)曲線(xiàn)，后續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物的生長(zhǎng)、表征分析和使用分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行光譜測(cè)試；接著通過(guò)工藝流程制備了紫外-紅外雙色集成光電探測(cè)器件并使用Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試器件在不同光波長(zhǎng)下的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)器件在紫外波長(zhǎng)為253.7nm時(shí)光譜響應(yīng)值為8.47mA/W，在可見(jiàn)光波段具有“日盲”特性，在紅外光波段為780nm處有一小的光譜響應(yīng)值，約為0.013mA/W，而后隨著光波長(zhǎng)的增加，光響應(yīng)逐漸減弱，這與本文初始仿真結(jié)果基本一致。但由于缺乏連續(xù)光源和長(zhǎng)波光源，后續(xù)還有待驗(yàn)證器件在1.8μm是否具有好的光譜響應(yīng)。