GaN基紫外探测器及其研究进展
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0引言
紫外探测技术在军事和民用等方面应用广泛。
在军事上,导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求。
在民用上,如明火探测、生物医
药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察等。
总之,紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的又一军民两用光电探测技术。
一直以来,高灵敏紫外探测多采用对紫外敏感的光电倍增管和类似的真空器件。
紫外增强型硅光电二
GaN基紫外探测器及其研究进展
李向阳1,许金通1,汤英文1,李雪1,张燕1,龚海梅1,赵德刚2,杨辉
2
(1.中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海200083;
2.中国科学院半导体研究所,北京100083)
摘要:宽禁带半导体材料的研究和突破,带动了各种器件的发展和应用。
GaN基紫外探测器具有通过调整材料的配比可以调节器件响应的截止波长的优点,可以制备日盲型紫外探测器。
对GaN基宽禁带紫外探测器材料体系的研究进展进行了回顾,重点介绍了p型材料的制备、金属半导体接触、材料的蚀刻等。
最后,对国内外近期的紫外探测器特别是紫外焦平面器件的研究进展及初步获得的
32×32紫外焦平面探测器进行了简单介绍。
关键词:紫外探测器;氮化镓;
铝镓氮;
紫外焦平面器件
中图分类号:TN23
文献标识码:A
文章编号:1007-2276(2006)03-0276-05
GaNbasedultravioletdetectorsanditsrecentdevelopment
LIXiang!yang1,XUJin!tong1,TANGYing!wen1,LIXue1,ZHANGYan1,
GONGHai!mei1,ZHAODe!gang2,YANGHui2
(1.StateKeyLaboratoriesofTransducerTechnology,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,
Shanghai200083,China;2.InstituteofSemiconductor,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)
Abstract:AlongwithbreakthroughinhighqualityGaNbasedwidegapsemiconductormaterial,var-iousnewdevicesappeared.Amongthem,ultraviolet(UV)detectorwasmostlyconcerned,becauseoftheirsolar!blindability.ReviewwasmadeonGaNbasedwidegapsemiconductormaterialanddevices,espe-ciallyforp!typematerialmanufacture,metal!semiconductorcontact,materialetching,etc.Recentdevelop-mentofultravioletdetectorswasalsointroduced,includingtheGaNbasedfocalplanearray(FPA)andtheperformanceof32×32UVFPAobtainedrecently.
Keywords:Ultravioletdetector;
GaN;
AlGaN;
UVFPA
收稿日期:2005-10-23;修订日期:2005-12-20
作者简介:李向阳(1969-),男,山东临清人,研究员,博士,主要从事半导体光电探测器的研究工作。
第35卷第3期
红外与激光工程
2006年6月Vol.35No.3
InfraredandLaserEngineering
Jun.2006
第3期
极管是固体探测器的代表。
相对固体探测器而言,真空器件存在体积大、工作电压高等缺点;而硅器件具有可见光响应的特点在一些紫外应用中会变成缺点。
随着宽禁带半导体材料研究,人们开始考虑可见光响应极小的本征型紫外光电探测器。
GaN基材料和ZnO基材料为有潜力的材料。
特别是p型GaN材料的突破,带动了紫外探测器等各种器件的发展和应用[1~6]。
1紫外波段的基本特点和典型应用
紫外波段波长范围在200~400nm。
分为三部分:UVA320~400nm、UVB290~320nm和UVC200~290nm。
地球表面附近最大的紫外光源是太阳。
由于臭氧等大气气体的强烈吸收作用和部分散射作用,波长在280nm以下的紫外线几乎不能到达地球表面,因此,200~280nm波段的紫外光又称为太阳盲紫外或日盲紫外(SolarBlind)。
如果紫外告警系统将响应波段置于日盲波段,由于没有自然光辐照,背景噪声很小,虚警率可以大幅降低。
美国研制的紫外型导弹逼近告警系统(MAWS)就采用了工作于日盲区的光电倍增管为探测器。
有文献预测,随着固体紫外探测器的发展,这种告警系统将采用多元或面阵器件。
众所周知,人们需要一定量的太阳紫外线辐照。
但是UVB波段的过量照射会引起皮肤反应甚至病变。
不同波段的紫外线,对人体的危害程度不同,损害程度与波长的关系称作红斑曲线。
天气预报中紫外指数的定义与红斑曲线和太阳光谱有着紧密的关系。
目前美国已经有用GaN基紫外探测器制备的太阳紫外指数手表。
2GaN基材料的基本特点
氮化镓基(GaNBased)材料是指元素周期表中的III族元素铝、镓、铟和V族元素氮形成的化合物(GaN、AlN、InN)以及由它们组成的多元合金(InGaN、AlGaN等)。
纤锌矿结构的III-N族材料是直接带隙材料,随着合金组分的改变,其禁带宽度可以连续变化。
对于铝镓氮材料,其禁带宽度可以从GaN的3.4eV连续变化到AlN的6.2eV。
因此,理论上讲,利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm。
利用禁带宽度随组分线性变化近似的经验公式,可以估算:对于日盲型紫外探测器,AlxGa1-xN材料的组分x需要达到40%以上,也就是所谓的高铝组分AlGaN材料。
对于GaN材料的研究虽然开展很早,但是在20世纪80年代中期以前获得的材料质量不能令人满意。
其原因不仅是体材料合成极其困难,而且没有与晶格匹配的合适外延衬底。
1986年日本的Amano和1991年的Nakamura研究发现,在低温生长的缓冲层上可获得高质量GaN外延薄膜。
这一突破性结果为氮化镓材料器件及其应用开启了大门。
目前在蓝宝石衬底上生长GaN外延薄膜几乎都采用了先低温生长缓冲层、再高温生长外延膜的两步工艺。
低温缓冲层解决了晶格失配问题,为外延生长提供了成核中心和应力释放中心。
当前较成熟的外延生长方法是MOCVD,此外MBE也在某些方面具有优势,据报道已经有结合两者优点的新技术和设备。
p型掺杂是另一个困扰GaN器件应用的问题。
与n型材料相比,p!GaN的获得比较困难。
原生掺Mg的GaN由于被氢原子钝化,不能表现出受主的本性。
实验发现,低能电子辐照或氮气中中温退火可以破坏Mg!H络合体,从而激活受主,实现高浓度掺杂。
这一发现的意义不亚于发现低温缓冲层,也是GaN器件应用道路上的里程碑。
目前,制备高铝组分AlGaN材料还有一定的难度,特别是制备具有器件结构的材料难度较大。
其原因不仅在于传统的MOCVD生长方法中晶格失配大、各种反应过程复杂且难以控制,而且材料禁带宽度变宽、掺杂的激活效率变低等。
3GaN紫外探测器
3.1金属半导体接触
金属半导体接触的研究是器件应用基础之一,对于任何电学应用和测试来说,欧姆电极的获得是人们首先需要完成的。
针对不同的GaN基材料分别予以讨论。
3.1.1n型GaN的欧姆电极接触
几乎所有的n型GaN欧姆电极接触的制备都需要使用低功函数金属。
如铝(Al)、钛(Ti)、钛铝双层及
李向阳等:GaN基紫外探测器及其研究进展277
红外与激光工程第35卷
其他金属如银(Ag)、钕(Nd)等。
这些金属都具有功函数相对较小的特点。
目前,研究和应用比较广泛的是钛铝双层金属电极。
能够形成较好欧姆接触的条件及机理大致如下:首先,金属膜制备时Ti:Al之间的比例需要满足一定条件,其目的是在随后的退火等处理中使两者形成Al3Ti合金且剩余一定的Ti,最终形成Al3Ti/Ti/GaN结构。
研究发现,Ti与GaN的反应物TiN,也有利于形成小比接触电阻的欧姆接触;不同退火条件如温度、时间和气氛等,对接触的性能有较大影响。
具有较好结果的Ti/Al欧姆电极的比接触电阻一般在10-6 ̄10-7Ω・cm2数量级。
3.1.2p型GaN的欧姆接触
相对于n"GaN的欧姆接触的制备,获得具有更小比接触电阻的p型GaN的欧姆接触始终是一个挑战。
正是这项技术的突破,伴随着p"GaN的获得和激活效率的提高,给GaN的广泛应用开启了大门。
目前,这项关键技术是产品性能的重要保证之一。
因为欧姆电极比接触电阻的大小将直接影响器件的参数,如发光二极管(LED)所谓的开启电压以及开启后的效率等关键参数。
因此对p"GaN的欧姆接触的报道及系统详细的研究结果和工艺过程介绍比较少见。
从文献报道的结果来看,镍/金(Ni/Au)是较好的选择,表面处理和退火的工艺条件是关键之一。
研究发现,清洁的GaN表面以及退火中氧的存在可能有利于欧姆接触的形成。
具有较好结果的Ni/Au欧姆电极的比接触电阻一般在10-4 ̄10-5Ω・cm2数量级。
3.1.3n"AlGaN和p"AlGaN的欧姆接触
由于AlGaN的禁带宽度更宽、掺杂元素的激活效率等问题,对AlGaN材料的欧姆接触研究相对较少,仍有待深入研究。
制备AlGaN器件的关键是稳定的低电阻欧姆接触,制备AlGaN欧姆接触一般也是考虑降低其有效势垒高度或在界面处实现重掺杂。
目前AlGaN欧姆接触的研究内容包括:
(1)选取适当的接触材料研究欧姆接触形成。
例如在n"AlGaN上用Ti/Al/Ni/Au多层金属沉积构成欧姆接触;一些新的接触材料也有报道,如V/Al/Pd/Au在n"Al0.6Ga0.4N上得到的比接触电阻3×10-6Ω・cm2。
相比而言,p"AlGaN材料的欧姆接触面临的困难较大,对p型材料需用功函数更高的金属来形成低势垒接触,但实际金属最高功函数没有超过6eV,只能选用Pt、Ni、Au、Pd等高功函数金属,其中Ni/Au是常见的双层研究体系。
为了比较容易实现p"AlGaN的欧姆接触,还可以在p"AlGaN上制作p"GaN帽层作为与金属电极的接触层。
(2)退火工艺的选择。
大量的实验研究表明,退火的应用有利于改善接触质量。
退火过程如温度、时间、气氛等明显影响接触电学性能和接触的可靠性。
(3)接触前的表面处理工艺。
在金属沉积前,利用酸系列溶液HCl:HF:H2O、王水和碱系列溶液KOH,(NH4)2S等腐蚀GaN和AlGaN表面,国内外有很多实现低阻欧姆接触的报道。
经过表面处理,可以有效去除表面氧化物,降低表面态密度。
但酸系列和碱系列对欧姆接触形成的影响还没有达到共识,由于材料和制作工艺的差异,即使同一种表面处理方法得到的欧姆接触比电阻大小也明显不同。
此外,金属沉积前利用反应离子刻蚀改善欧姆接触的方法也是常见的。
总之,AlGaN和金属间形成欧姆接触与接触制作中的物理或化学过程紧密相关,为寻求合适的材料和恰当的工艺技术方法去实现这种低电阻接触,深入理解AlGaN欧姆接触形成机理,是制备AlGaN器件急需解决的问题。
3.2GaN材料的刻蚀
耐腐蚀是GaN基材料的优点之一,但同时也给刻蚀带来了困难。
GaN的束缚能是8.92eV/atom,AlN是11.52eV/atom。
室温下所有的酸对GaN腐蚀都很慢,热碱对它腐蚀也很慢。
采用电化学/光化学增强的方法可以提高刻蚀速率。
但由于湿法腐蚀存在图形转移精度差、表面/侧面粗糙、难以控制等缺点很难用于实用器件的制备。
因此无论是商用还是科学研究,均广泛采用干法刻蚀技术,包括物理、化学以及二者相结合的刻蚀方法。
物理方法是通过溅射的机制来达到刻蚀材料的目的,虽然可以获得各向异性的刻蚀,但容易造成较大的损伤、粗糙的表面、沟道现象,选择性较差,从而会对器件的性能造成较大的影响。
化学方法是采用易于与刻蚀材料表面吸附发生化学反应且易挥发的刻蚀源来刻蚀。
其离子能量相对较低,垂直和横向的刻蚀速率相同,经常是各向同性刻蚀,但由于能量小损伤也小。
采用二者相结合的离子辅助等离
278
第3期
子体刻蚀可以获得各向异性的刻蚀和相当高的刻蚀速率。
主要的刻蚀技术包括:离子束刻蚀、反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀(ECR、ICP、MRIE)、化学辅助离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、低能电子增强刻蚀等。
各种反应等离子体主要包括Cl2基、I2和Br2基及CH4/H2/Ar等。
目前ICPCl2基等离子体刻蚀倍受人们的重视。
3.3GaN基紫外探测器的比较
从文献报道来看,III族氮化物光电探测器大致有光导型、MSM、肖特基结型以及光电二极管型等多种器件芯片结构。
光导型探测器结构简单,内部增益高,但是宽禁带材料容易存在的持续光电导现象给应用带来一系列问题,主要表现在响应速度慢、响应时间是光照强度的函数、暗电流高、长波波段会出现假信号现象等,不适合于直流、高速的工作要求。
最近对持续光电导的研究发现,大偏置下的GaN光导器件的持续光电导可以得到极大地消退,如图1所示。
这一现象的发现可能为GaN光导器件应用带来新的机会。
肖特基型光电探测器包含一个半透明的肖特基接触和一个欧姆接触。
肖特基器件一般具有平滑短波区响应光谱,主要原因是肖特基器件的空间电荷区位于半导体表面,抑制了在p!n结器件中短波时量子效率的降低,这是肖特基器件的一大优势,A1GaN肖特基器件的可见光抑制比可达到104,最小时间常数为纳秒数量级[7],可用于环境监测并制成紫外光探测器阵列,但受势垒高度的限制,耗尽层窄,漏电流比p!i!n探测器高,这类器件已经商业化。
图1GaN光导器件的持续光电导效应在高电压
作用下极大地消退现象
Fig.1PersistencephotoconductiveeffectofGaNalmost
vanishedunderhighvoltageforaperiod
光电二极管型探测器一般采用p!n和p!i!n结的形式。
从入射方向看,有背照射和正照射两种方式。
另外从器件结构看,还有同质结和异质结的区别。
由于GaN基材料的直接带隙特性决定了材料的吸收系数较大,容易出现短波方向的响应幅度下降,因此有效吸收的结区应尽量靠近光线入射的一边。
采用异质结的结构有利于改善光谱形状。
上海技术物理研究所对p!i!n探测器也进行了研究,得到的器件性能如下:单元器件直径0.5mm,最大单色响应度0.176A/W,探测器截止波长365nm,零偏压电阻面积之积在1×108 ̄10×108Ω・cm2。
器件
的响应光谱如图
2所示。
图2GaNp!i!n正照射型紫外探测器件的响应光谱
Fig.2ResponsespectrumofGaNp!i!ndetector
4GaN基面阵紫外探测器的研究进展
面阵探测器是光电器件的发展方向之一,大规
模、多波段集成的成像探测器件的使用是简化应用系
统、提高系统能力的重要手段之一。
GaN基紫外面阵
探测器主要是朝着大规模日盲型发展。
目前所有的报
道中,均采用与红外焦平面类似的工艺,制备中采用
背照射GaN基光电二极管阵列和硅读出电路,通过
铟柱互连方式得到混成的紫外焦平面器件。
1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、
Honeywell技术中心以及美国夜视实验室成功地实现
了基于GaN/AlGaNp!i!n型背照射32×32列阵焦平
面探测器数字照相机[8]。
响应波段为320~365nm,峰
值响应率达到0.2A/W(358nm),内部量子效率达到
80%,R0A为1.5×109Ωcm2,计算得到的峰值探测率
达到6.1×1013cmHz1/2W-1。
2000年他们成功展示了用
128×128紫外焦平面探测器制备的数字照相机[9],响
应波长在320~365nm。
2002年该研究小组又成功制
成了320×256的日盲紫外探测器,但其中只有部分像李向阳等:GaN基紫外探测器及其研究进展279
红外与激光工程第35卷
元能够有效成像,且质量不如可见盲探测器清晰,主要原因可能是高质量的高铝组分的A1GaN材料制备困难。
2005年美国西北大学也报道了日盲型320×256紫外焦平面探测器,给出了较清晰的图像,但是没有器件性能的详细描述[10]。
上海技术物理研究所对GaN基焦平面器件也开展了研究,从芯片、电路和互连等方面进行了有意义的探索。
2003年得到了64×1线列GaN基紫外探测器。
目前获得了具有一定信号响应的32×32紫外焦平面探测器。
初步测量面阵器件的响应率在1×107
V/W,
截止波长在350nm以下,如图3、图4所示。
图364×1线列GaN基紫外探测器
Fig.364×1GaNbasedlineararrayUVdetector
图432×32UVFPA探测器
Fig.432×32UVFPAdetector
从以上报道可以看出,到目前为止,单片集成的紫外探测器(即器件的光敏元和读出电路均利用GaN基材料制备)和双色(或多色)紫外焦平面探测器尚未见报道。
理论上,实现这些新型器件完全可行。
5结语
文中简要介绍了紫外波段光电探测的基本特点
及部分典型应用,对GaN基宽禁带紫外探测器材料体系的研究进展进行了回顾,重点介绍了包括p型材料的制备、金属半导体接触、材料的蚀刻等;最后,对国内外近期的紫外探测器特别是紫外焦平面器件的研究进展作了一些介绍。
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