日盲型AlGaNPIN紫外探测器的研制

收稿日期:2007-01-22.　光电器件日盲型AlGaN PIN 紫外探测器的研制黄烈云,吴琼瑶,赵文伯,叶嗣荣,向勇军,刘小芹,黄绍春(重庆光电技术研究所,重庆400060)摘　要:　采用M OCVD 方法在双面抛光的(0001)蓝宝石衬底上生长了高铝组分AlG aN 材料,研制出日盲型AlGaN PIN 紫外探测器。

详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对该器件进行了光电性能测试。

测试结果表明:器件的正向开启电压约为4.5V ,反向击穿电压大于20V ;常温下(300K ),该器件在3V 反向偏压下的暗电流约为50pA ,在零偏压下270nm 处峰值响应度达到0.12A /W ,长波截止波长小于285nm 。

关键词:　紫外探测器;AlGaN ;日盲;刻蚀;欧姆接触中图分类号:TN312.4　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2007)03-0342-03PIN Solar -blind Ultraviolet Detectors Based on AlGaNH UANG Lie -y un ,WU Qiong -y ao ,ZH AO Wen -bo ,YE Si -ro ng ,XIA NG Yong -jun ,LIU Xiao -qing ,H UANG Shao -chun(C hongqing Optoelectronics Research Institute ,C hongqing 400060,CHN )A bstract :　H ig h A l content AlGaN w as g ro w n o n double polished (0001)sapphire substrate by MOCVD ,and AlG aN based so lar -blind PIN UV pho to detecto r w as developed .Its device structure and fabrication pro cessing a re intro duced in detail .M easurem ent results sho w that its turn -o n voltage is abo ut 4.5V ,and V BR >20V ;the dark current is about 50pA at -3V bias voltage ;the peak re spo nsivity at zero bias can reach 0.12A /W and cut -off long -w aveleng th is shor t than 285nm .Key words :　ultraviolet detector ;AlGaN ;solar -blind ;e tching ;Ohmic contact1　引言日盲型AlG aN 紫外探测器利用太阳光谱盲区的紫外波段探测目标,其背景干扰小,且不需要低温致冷,体积小,重量轻,与硅紫外探测器、光电倍增管等现行紫外探测器相比具有独特的优势。

它的工作温度高、对环境适应能力和抗辐照能力强、紫外光/可见光抑制比高、工作时不需要滤波器。

日盲型AlG aN 紫外探测器可广泛应用于紫外告警、紫外制导、紫外通信等军事领域,还可以用来监测环境及火焰报警,在冶金、电力、医药等领域都有着广泛的应用[1～4]。

研制了一种日盲型AlGaN PIN 紫外探测器,详细介绍了其结构设计和制作工艺。

2　原理和结构p -n 结型探测器的基本工作原理是:在反向工作偏压下,入射光的信号在p -n 结耗尽层和离耗尽层边界一个扩散长度内被吸收产生电子-空穴对,电子-空穴被内建电场分开,漂移运动而到达两极,在外回路中形成信号电流。

为有效地提高器件灵敏度和响应速度,在p 层和n 层之间夹入一层本征的i 层,以增加耗尽层的宽度。

我们采用的器件结构如图1所示,采用背面入光方式的台面结构,以双面抛光的蓝宝石作衬底。

为有效地降低位错密度,在蓝宝石衬底上生长一层LT -AlN 缓冲层,再依次生长AlGaN /AlN 超晶格层,n -AlGaN 窗口层,i -AlGaN 光吸收层,p -AlGaN·342·SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol .28No .3June 2007过渡层,p -G aN 欧姆接触层。

SiO 2作为pn 结界面保护层,n 面为Ti /Al /Ti /Au 电极,p 面采用Ni /Au 电极。

图1　探测器结构示意图3　实验如图2所示,我们制备的日盲型AlGaN PIN 紫外探测器为圆形光敏面结构,光敏面直径为0.8mm ,器件的制备分为材料生长和器件制作两部分。

图2　探测器俯视图3.1　探测器材料生长研制的器件结构示意图如图3所示。

AlGaN 外延材料的质量是影响器件量子效率、响应速度、暗电流、可靠性等性能指标的关键因素。

由于Ⅲ族氮化物材料与衬底蓝宝石之间的晶格失配和热失配较大,直接在蓝宝石衬底上外延生长的AlGaN 材料具有很高的位错密度。

如何降低位错密度是AlGaN 材料外延生长的关键技术之一。

20nm p -Ga N 50～100nm p -AlGaN100～300nm i -AlGaN 400～600nm n -A lGa N 15～30nm LT -A lN 蓝宝石衬底图3　PIN 材料层次结构示意图我们采用AIX200RF 型MOCVD 系统,在双面抛光的免清洗2英寸(0001)蓝宝石材料上外延生长AlG aN 材料。

先在蓝宝石衬底上生长15～30nm 厚的低温缓冲层LT -AlN ,再依次生长400～600nm厚Si 掺杂的n -A lGaN 层(载流子浓度为1×1018cm -3),100～300nm 厚非故意掺杂的本征吸收层i -AlGaN (载流子浓度为5×1016cm -3,铝组分约为0.42),50～100nm 厚Mg 掺杂的p -AlGaN 层(载流子浓度为1×1017cm -3)和20nm 厚M g 掺杂的p -GaN 层(载流子浓度为5×1017cm -3)。

3.2　探测器的制作材料经化学试剂清洗后,用氮气吹干,在750～900℃的氮气环境下经5～10min 退火,完成p 型AlGaN 材料掺杂剂激活。

采用感应耦合等离子刻蚀(ICP )工艺进行材料刻蚀,用Ti /A l /Ti /Au 多层金属作n 电极,Ni /Au 双层金属作p 电极,在氮气环境下高温快速退火获得良好的欧姆接触,成功研制出日盲型AlGaN PIN 紫外探测器。

其中,AlGaN 材料干法刻蚀工艺和AlGaN 材料欧姆接触工艺是整个器件制作工艺的核心内容。

3.2.1　AlGaN 材料干法刻蚀技术由于Ⅲ-Ⅴ族氮化物有极高的化学稳定性,一般酸碱腐蚀剂对A lGaN 材料的腐蚀速率非常低。

如何实现速度快、精度高、易于控制的刻蚀工艺,找出对pn 结面损伤相对较小的刻蚀工艺条件是研究的关键之一。

感应耦合等离子体刻蚀(ICP )对AlGaN 造成的损伤比较小。

我们采用Cl 2+A r (比例为10∶5)为腐蚀气氛,经过优化腐蚀条件(RF 功率为50～100W 、ICP 功率为750～1000W ),对AlGaN 材料获得了约为8.0nm /s 的腐蚀速率和平滑光洁的腐蚀表面。

3.2.2　AlGaN 材料欧姆接触技术[5,6]欧姆接触技术和腐蚀技术一样是制备AlGaN 紫外探测器的关键工艺,低的欧姆接触电阻是实现高质量器件的基础,能否实现低阻的欧姆接触直接影响器件的性能。

Ⅲ-Ⅴ族氮化物为宽带隙材料,和金属接触会产生较高的接触势垒,选择合适的金属与GaN 材料形成欧姆接触较难。

要获得低的接触电阻,理论上使用比n 型半导体功函数小或比p 型半导体功函数大的金属界面形成低的接触势垒高度或紧靠金属的这一层半导体具有高的掺杂浓度,就能够获得良好的欧姆接触。

对于n -A lGaN (载流子浓度1018cm -3),一般采用Ti /Al /Ti /Au 复合金属电极,在一定温度、N 2气氛下快速退火,AlGaN 中的N 向外扩散与Ti 形成TiN x 层,降低了接触势垒,同时造成表面A lGaN 的N 空位,从而提高A lGaN 表·343·《半导体光电》2007年6月第28卷第3期黄烈云等:　日盲型A l x Ga 1-x N P IN 紫外探测器的研制面n 型浓度,使其比接触电阻降到10-6Ψ·cm -2量级。

对于p -GaN (载流子浓度1017cm -3),一般采用Ni /Au 复合金属电极,在一定温度、N 2气氛下快速退火,退火后在界面处产生了低势垒的Ni 3N 和Ni 4N 合金氮化物,同时形成导电性能好的NiO ,其比接触电阻可降到10-4Ψ·cm -2量级。

我们采用电子束蒸发Ti /Al /Ti /Au (30nm /150nm /30nm /200nm )和Ni /Au (30nm /200nm )多层金属,辅助正胶剥离技术制作n -AlGaN 和p -GaN 电极接触,然后在氮气氛围下分别进行650～750℃快速退火90s 和550～650℃快速退火90s ,获得良好的二极管欧姆接触。

4　器件性能分析4.1　器件的伏安特性图4(a )为AlGaN PIN 型紫外探测器在正向偏压下的I -V 特性曲线,其正向开启电压约为4.5V 。

图4(b )为器件在反向偏压下的I -V 特性曲线,暗电流随反向偏压的增大而增大,在3V 反向偏压下的暗电流约为50pA ,器件的反向击穿电压约为22V。

(a )　正向特性曲线(b )　反向特性曲线图4　器件电流-电压特性曲线4.2　器件的光谱响应如图5所示,该紫外探测器峰值响应在270nm ,紫外光谱响应范围为255～285nm ,在零偏压下的峰值响应度达到0.12A /W ,在1V 偏压下可达0.128A /W 。

对于大于285nm 的长波长区域,器件是相对透明的,因而导致响应率的急剧下降,在285nm 处的响应率小于0.01A /W 。

同样,由于n 型层A lGaN 的吸收作用,在波长小于255nm 后,响应率极其微弱。

图5　器件光谱响应曲线5　结论采用MOCVD 法在蓝宝石(0001)衬底上生长AlGaN 材料,用感应耦合等离子(ICP )刻蚀工艺进行台面制作,同时用Ti /A l /Ti /A u 多层金属作n 电极,Ni /Au 双层金属作p 电极,在氮气环境下高温快速退火获得良好的欧姆接触,成功研制出日盲型AlGaN PIN 紫外探测器。