GaN基MSM结构紫外探测器及其研究发展

１９９５ 年，Ｍｉｓｒａ 等人发现用 ｎ 型 ＧａＮ 薄膜制作的光导型探测器性能较差，在偏 压 ２５Ｖ、激发光波长 ２５４ｎｍ 条件下，测得 增益与量子效率积为 ６００，迁移率与寿命 积为 ９．５× １０－５ｃｍ２／Ｖ，电流响应度为１２５Ａ／ Ｗ［２］。Ｋｕｎｇ 等人通过测量光响应和光电导 衰减的频率相关性，研究了 ｎ 型 ＧａＮ 探测 器光电导动力学［３］。观察到即使在相当低 的激发条件下出现强的亚线性响应和与激 发相关的响应时间。通过研究 ＧａＮ 探测器 光电导增益随激发光强的变化关系，发现
一半。随着偏压的增大，电压
主要作用在反偏结上，总电容
图 １ Ｍ Ｓ Ｍ 结构探测器电极结构图［１］ Ｃ 减小。
进一步
加大偏压，正
偏结的耗尽
区消失。相应
的电压称为
“平带电压
图 ２ ＭＳＭ 光电探测器的一维器件结构（ａ）和能带图（ｂ） Ｖ Ｆ Ｂ ”。当 Ｖ ＞
Ｖ 时，器件内部达到完全反偏，这时的 ＦＢ
ＧａＮ 基紫外光探测器可分为光电导 探测器（无结器件）和光生伏特探测器（结 型器件）。其中，光生伏特探测器又可分 为 ｐ－ｎ 结型、ｐ－ｉ－ｎ 结型、肖特基势垒型和 Ｍ Ｓ Ｍ 结构等。
（１）光导型 ＰＤ 光电导探测器，简称 ＰＣ 探测器，是利 用光电导效应制作的光探测器。ＧａＮ 基 ＰＣ 紫外探测器的基本原理是能量大于 ３．４ｅＶ 的光子作用于 ＧａＮ 基半导体薄膜上，由于 本征吸收和杂质吸收，产生非平衡光生 载流子，引起 ＧａＮ 基半导体的电导率发生 变化。在外加电压作用下，在探测器输出 回路中产生光电流或光电压。ＧａＮ 光电 导型紫外探测器具有结构简单、工艺容 易和内部增益高等优点，同时紫外光电 导器件也存在一些问题，如在同样的紫 外光照射下，它比光生伏特探测器有大 得多的响应电流，但其响应速度慢、暗 ／ 漏电流大，存在 ＰＰＣ，光响应与入射光之 间存在非线性变化关系等。 （２）光伏型 ＰＤ 光伏探测器，简称 ＰＶ 探测器，是利 用半导体光伏效应制作的光探测器。其 基本原理是光照射到探测器上时，电子 空穴对被内建电场分离，形成与入射光 功率大小相关的光生电动势。根据内建 电场形成的结势垒的不同，ＰＶ 探测器又 可分为 ｐ－ｎ 结、ｐ－ｉ－ｎ 结、金属 － 半导体肖 特基势垒、金属 － 半导体 － 金属（ＭＳＭ）结 构等形式。Ｍ Ｓ Ｍ 紫外探测器以其高响应 度，大的紫外光 ／ 可见光探测比及响应速 度快的优点，并且 ＭＳＭ 紫外探测器以其
构探测器如图 １ 所示。要进一步提高器件
的响应率，方法之一是优化器件的结构参
数，尽量减小叉指电极的宽度，合理设计
电极的指间距。
在 ＭＳＭ 结构紫外探测器电极上加偏
置电压时，一个正向偏置一个反向偏置，
暗电流极小。下面用一维模型定性说明其
工作原理如图 ２ 所示。
当外加电压时（如右方为正，左方为
负），这一对背对背的二极管中，１ 结为反
■ 天津工业大学信息与通信工程学院 郭俊良 于莉媛
紫外探测器在军事和民用方面均有 很高的应用价值。军事上，紫外探测技术 可用于导弹制导、导弹预警、紫外通信等 领域，这些已引起军方的高度重视。紫外 探测技术在民用领域中，可用于紫外树脂 固化、燃烧工程及紫外水净化处理中的紫 外线测量、火焰探测等非常广泛的领域。 因此，世界各国把紫外探测技术列为当今 研究开发的重点课题。
紫外波段波长范围在 ２００～４００ ｎｍ。 分为三部分： ＵＶＡ ３２０～４００ ｎｍ、ＵＶＢ ２９０～３２０ ｎｍ 和 ＵＶＣ ２００～２９０ ｎｍ。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（Ｓｏｌａｒ Ｂｌｉｎｄ）。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。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
１９９８ 年，Ｊ．Ｃ．Ｃａｒｒａｎｏ等人［３］用ＭＯＣＶＤ 方法在蓝宝石衬底上上生长的 ＧａＮ 探测 器获得了很低的暗电流，偏压为 １０Ｖ 时， 样品的暗电流低至 ５７ｐＡ，但在器件中发 现了光电导增益；这批人又做了个实验， 在蓝宝石衬底上生长的 ＧａＮ 基 ＭＳＭ 探测 器的光谱响应图在带边陡峭截止，获得了 ０．１５Ａ／Ｗ 的光响应强度，并且未观察到任 何增益现象。
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（ Ｍ Ａ Ｗ Ｓ ） 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。
目前，主要投入使用的仍然是硅基 紫外光电管和光电倍增管。前者灵敏度 低而且还需要附带滤光片，而后者则有 体积笨重、易损坏、效率低等缺点，因此 日益发展的宽带隙半导体材料成为人们 关注的重点。随着宽禁带Ⅲ族氮化物半 导体材料（包括 ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ）的 研究和突破，特别是 Ｐ 型材料的突破，带 动了各种器件的发展和应用。对于铝镓 氮材料，其禁带宽度可以从 ＧａＮ 的 ３．４ ｅＶ 连续变化到 ＡｌＮ 的 ６．２ ｅＶ。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 ３６５ａｍ 变 化到 ２００ｎｍ。
１９９８ 年美国国防高级研究计划局开 始研制工作在 ２５０ｎｍ～３００ｎｍ 波段的 ＧａＮ 基紫外探测器。
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。
电容就等效为一平板电容。单位面积电容 为 Ｃ＝εｓ／Ｌ。ＭＳＭ 结构的电容比其他结构 的都小，故其响应较快，这是 ＭＳＭ 结构 的优势之一。背对背 ＭＳＭ 肖特基势垒结 构，具有较低的暗电流，特别适用于实现 低噪声高灵敏度探测器。
Ｇ ａ Ｎ 基 Ｍ Ｓ Ｍ 结构 探测器研究发展
ＡｌＧａＮ 作为探测器的理想材料，其研 究发展近年来已取得相当的成果。用通过 ＭＯＣＶＤ 生长的未掺杂的 ｎ－Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ 制备了 ＭＳＭ 结构紫外探测器，器件在 ２．５Ｖ 偏压时的暗电流为 １ｐＡ，在５．３Ｖ偏压时的 暗电流为 １ｎＡ，在 １Ｖ 偏压下和 ２９８ｎｍ 波 长处，探测器的电流响应率为 ０．０３８Ａ／Ｗ， 在 ３００ｎｍ 波长处有陡峭的截止边。为了检 验器件的肖特基接触特性，电击穿 Ｍ Ｓ Ｍ 右边结，由正向Ｉ－Ｖ特性曲线计算出理想因 子 ｎ～１．０５，零偏势垒高度ΦＢ０～１．１６ｅＶ， 表明形成的肖特基结较为理想。
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产
经
随激发光功率密度的增加光电导增益减 小，这种现象归因于随激发光强的变化 载流子再分布的结果。在实际应用中，载 流子的长寿命将导致非线性响应且响应度 依赖于激发频率。为了改善器件的响应特 性，探测器光响应动力学和 ＧａＮ 薄膜中深 能级中心的特性和起源，成为 ＰＣ 探测器研 究重点。
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产
经
平面结构，制造工艺简单和易于单片集 成，成为最受关注的结构之一。
Ｇ ａ Ｎ 基 Ｍ Ｓ Ｍ 结构探测器
Ｍ Ｓ Ｍ 光伏探测器由两个叉指形的背
靠背肖特基二极管组成，它不需要进行 Ｐ
型掺杂，结构简单，造价低，易于集成，
并且有高灵敏度和高响应度等特点，因此
得到了人们的普遍关注。ＧａＮ 基 ＭＳＭ 结
作为器件应用的基础，欧姆电极的 获得是我们进行任何电学应用和测试时 首先要完成的。下面对于不同的 ＧａＮ 基材 料分别讨论。
（１）ｎ 型 ＧａＮ 的欧姆电极接触 此类接触金属都具有功函数相对较 小的特点。研究和应用比较广泛的是钛 铝双层金属电极，其制备时钛铝的比例 要满足一定的条件，经过退火等处理最 终形成。不同的退火条件如温度、时间和 气氛等，对接触的性能有比较大的影响。 Ｔｉ 与 ＧａＮ 的反应物 ＴｉＮ 有利于形成小比 接触电阻的欧姆接触。具有较好结果的 Ｔｉ／ＡＬ欧姆电极的比接触接触电阻一般在 １０－６～１０－７ Ω ｃｍ２ 数量级。 （２）ｐ 型 ＧａＮ 的欧姆电极接触 与 ｎ 型相比 ｐ 型 ＧａＮ 的欧姆电极接触 的制备，需要获得具有更小的比接触电 阻。目前，镍／金算是个比较好的选择，表 面处理和退火的工艺条件是关键之一。 具有较好结果的Ｎｉ／Ａｕ欧姆电极的比接触 电阻一般在 １０－４～１０－５ Ω ｃｍ２ 数量级。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。 （３）ｎ－ＡｌＧａＮ 和 ｐ－ＡｌＧａＮ 的欧姆接触 由于对 ＡｌＧａＮ 材料的欧姆接触研究 相对较少，目前此方面的研究仅限于选 取适当的接触材料研究欧姆接触的形成， 退火工艺的选择和接触前的表面处理工 艺。对于禁带宽度，掺杂元素的激活效率 等问题，仍需要进一步研究。制备 ＡｌＧａＮ 器件的关键所在是要有稳定的低电阻欧 姆接触，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 入了解 ＡｌＧａＮ 欧姆接触形成机理和制作 过程中的物理化学过程，是制备 ＡｌＧａＮ 器 件急需解决的问题。 此外 ＧａＮ 材料的耐腐蚀也是其优点 之一，但同时也给刻蚀带来了困难。由于 湿法腐蚀存在图形转移外探测器，尤其是 ＧａＮ 基金属 － 半导体 － 金属（ＭＳＭ）结构紫外探测器的 工作机制、结构、特点及其应用，并且对 ＧａＮ 基 ＭＳＭ 结构紫外探测器的研究进展进行回顾，并对目前较 为热门的紫外焦平面阵列探测器的研究进展进行简单的介绍。
Ｇ ａ Ｎ 基 Ｍ Ｓ Ｍ 结构紫外 探测器及其研究发展