GaN基PIN紫外光电探测器

• （前注入）
探测器的性能参数
• 1：探测器的串阻RS: 根据探测器的I-V曲线 由公式（1）计算.（のv/のI) ×I=nKT/q+RS ×I • 2：量子效率η • 3：响应度R • 4：噪声等效功率（NEP) • 5：探测率D • 6：响应时间 • 7：探测灵敏度（D*) • 8：探测器的噪声

光谱响应度公式：R=AJtot/pin
• 根据外延片的结构参数：
• • • • s1=107cm/s,s2=104cm/s, Dn=52cm2/s,Dp=5.2cm2/s, Ln=0.721μm,Lp=0.228μm. ai≈an=a(λ） 可得出光谱响应度R与探测器的各层厚度关系。
P型区的厚度变化对应的光谱响应图
探测器结构厚度的计算
• 根据光谱响应来计算探测器的厚度参数 • 计算模型：pin 表示入射光的功率，a表示吸收系数，A表示光敏面积， r表示表面反射率
•
wP
wi
wn
1：P型区光生载流子产生率G1(λ)
G1( ) P p x) in (1 r ) p exp( Ah
2：i-AIlnGaN有源层中的光生载流 子产生率G2(λ)
1100 截止波 长（nm） 控测率 紫外选 择性 可靠性 实用性 价格 中 差 好 高 低
300400 中 中 中 中 高
525 中 差 好 中 中
200365 中 好 中 中 中
225 中 好 中 低 高
350450 中 好 中 低
紫外光电探测器的结构种类
1：光电导结构 2：PIN（PN)型结构 3：肖特基型结构 4：MSM结构 5：APD结构
GaN基紫外探测器存在困难
1：AIGaN 与GaN之间晶格失配导致外 延层位错密度较高。 2：P型材料中空穴浓度底。 3：难以获得良好的欧姆接触。的工作原理
• 基本原理是光照射pn 结时，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。当pn结短路时，产生光 电流. • 原理图如下:
GaN基PIN紫外光电探测器的设计
紫外光电控测器的研究背景
1：波长在250nm～300nm的波段容易被探测。 2：军用领域：导弹发射的探测。 3：民用领域：火焰的探测和监控,UVA和 UVB区域的放射计量测定器等。 4：航空领域：飞行员的降落侍服系统。
紫外光电探测器的材料种类
si Sic GaP AlGa N 金刚 石 光电 发射 型 120900 高 中 差 高 中 Ⅱ/Ⅵ
(1)
PIN探测器的结构
前注入式：
PIN探测器结构组分的计算
探测波长为280nm ～320nm 为了保持晶格常数的匹配，获得高质量的晶体，选用与GaN晶 格常数相同的几种合金来设计PIN探测器。 四元合金 AI X ln y Ga z N 晶格常数随组分的变化关系可表示为： a(AIXlnyGazN)=xa(AIN)+ya(lnN)+za(GaN) 如果a(AIXlnyGazN)= a(GaN) ，把AIN, lnN, GaN的晶格常数带入 公式中得到：x:y=4.47:1 因此我们可得到相应的波长变化范围：365nm～278nm 根据设计的探测波段我们可以由合金禁带宽度的公式（没有考 虑合金的弯曲系数）： Eg(AIXlnyGazN)=4.47yEg(AIN)+yEg(lnN)+(1-5.47y) Eg(GaN) 得出四元合金的组分为AI0. 22ln0.05Ga0.73N 三元合金AI0.813ln0.187N
i区厚度变化对应的光谱响应图
n区厚度变化对应的光谱响应图
探测器抗反射膜的计算
可由光学知识计算出抗反射膜的厚度， 包含单层膜和双层膜的厚度。
探测器制作的常用工艺过程
材料生长—激活退火—测射保护膜---光刻—ICP 刻蚀台面—光刻—ICP刻蚀光敏面—N电极预处 理—光刻—测射金属—剥离形成电极—电极合金 化—P电极预处理—光刻—测射金属—剥离形成 P电极—P电极合金化—PECVD渡膜—光刻—腐 蚀—测射金属—剥离形成焊盘—测试

Ah qpin (1 r ) n Lp exp( p w p i wi ) Ah ( n2 L2p 1)
n L p
( s 2 Lp / Dp)(cosh(wn / L p ) exp( n wn )) sinh(wn / L p ) n L p exp( n wn ) ( s 2 L p / D p ) sinh(wn / L p ) cosh(wn / L p )
G2 ( ) Pin (1 r ) i exp( p wp i ( x wp )) Ah
3：n-GaN的光生载流子产生率G3(λ)
G3 ( ) Pin (1 r ) i exp( p wp i wi n ( x wp wi )) Ah
常见结构探测器的比较
光电导型探测器内部增益大,制作简单,但是它需要偏置,暗电流大, 且速度慢。 肖特基势垒二极管虽然是潜在的最快的探测器 ,但由于其势垒高 度比p-i-n小,漏电流较大;且其耗尽区较窄,在耗尽区外的光生载流 子大部分复合对光电流没有贡献,效率低。 p-i-n型光伏特探测器能克服这些困难 ,它的有效区可以做的比较 厚,使大部分光子在此区吸收 ;而且耗尽区内的高强电场把电子空 穴对分离,快速扫入两边的掺杂区,能达到较高速度。
GaN基材料结构与性能
现有GaN基PIN紫外探测器常用材料结构
1：p-GaN/i-AIGaN/n-GaN
p-GaN/i-AIGaN/n-AIGaN (Cree公司） 2： p-AIGaN/i-GaN/n-GaN （Illinois大学） 3： p-GaN/i-GaN/n-AIGaN （北卡州立大学） 4：AIGaN/GaN超晶格PIN （台湾国立中央大学） 5：AIGaN PIN （Taxas)大学 6：GaN PIN （APA公司）等
光生电流计算公式
（条件：小注入，短路，稳态，不计结区载流子复合）s1为 表面复合速度，s2为异质结复合速率
J tot qpin (1 r ) p Ln
2 2 Ah ( p Ln 1)
p Ln exp( p w p )
( s1 Ln / Dn p Ln exp( p w p ) ((s1 Ln / Dn ) cosh(w p / Ln ) sinh(w p / Ln )) ( s1 Ln / Dn ) sinh(w p / Ln ) cosh(w p / Ln ) pin (1 r ) exp( p w p )(1 exp( i wi ))