GaN肖特基紫外探测器分析
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摘要随着科学技术的不断进步，gan基紫外材料在社会生产已经得到了广泛地应用，这项技术的充分发展，被认为是和发光二极管、激光器具有同样作用的一种器材。基于宽禁带半导体材料的GaN紫外探测器由于具有探测波长可调控性、工艺兼容性好、构造种类比较繁多等特点，现阶段它已经成为了同行界广泛研究的一个对象。GaN肖特基结构紫外探测器因为其具有很好的相应性能与很快的反应速度所以受到业界人士的如此青睐。笔者以肖特基结构探测器的不足之处作为着手点，研究并分析了这种新型的GaN肖特基结构紫外探测器。
关键词GaN；肖特基结构；紫外探测器；AlGaN
中图分类号：TN23 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0009-02
现阶段，GaN紫外光探测器被认为是和蓝光发光二极管、蓝光激光器具有同样作用的一种器具。早在20世纪末期，US就规定在宽禁带半导体的生产目标，凡是寿命在1000 h的紫外光探测器和寿命为1000 h的蓝光发光二极管、蓝光紫光激光器都将成为GaN材料的主要研究对象。全球范围内已经有很多个不同的国家对这种GaN紫外探测仪进行了各种结构形式的探究和研制，如光电导结构、p-n结构、p-i-n、p-π-n结构、肖特基结构、MSM结构、异质结构等。在上面这些不同类型的探测仪当中，肖特基结构由于具有势垒高度高、回避p型等特征，成为业界最常使用的一种结构类型，不过经过一段时间的使用实践我们也可以看到它有一个明显的不足之处：很容易受到一些状态的影响，笔者对此进行了专门的分析，详细情况如下。
1结构示意图和结构参数
图1AlGaN肖特基型紫外探测器
图1是GaN肖特基结构紫外探测仪结构示意图。20世纪末期的时候，就有专门的研究者对GaN的光电导性能展开了探究。在接下来的时间里，对于GaN基光电子器具的研究长时间受到下面两个问题的困扰而不能顺利进行下去：缺乏优质的单晶衬底材料（蓝宝石衬底与GaN的晶格失配度很高）；找不到合适的措施对GaN完成p型掺杂这项工作。这项工作进行的步骤如下：用低压（1.013×104 Pa）MOCVD方法在蓝宝石（0001）衬底上生长六方相GaN，其他的几种材料分别是三甲基镓（TMGa）、氮源为高纯氨气（NH3）以及载气为氢气（H2）。在具体的研制过程中，用来对各种材料器件进行测试的一个APPS来自US的一所大学，通过这个软件来完成模拟计算工作，通过这个工具我们可以完成对光伏特性的研究。在具体的测算过程中，主要的探究对象是AlGaN（在这里我们先假设Al组分约为15.1%）窗口层的数据会对器具产生一定的作用。第一步我们要在550.1℃生长一个低温GaN缓冲层（buffer），厚度大概是20.1 nm，接下来我们要在1100.1℃生长高掺杂n型GaN外延层，厚度大概是1.1 μm，混合浓度为5.1×1018 cm-3；接着生长本征GaN外延层，厚度约为0.6 μm，电子浓度为1×10 cm-3。
在对该结构类型的紫外探测仪的暗电流以及C-V特征进行检测的时候我们使用的是HP4280检测仪。通过该项检测工作，最后我们可以得到该类型的紫外探测仪能够产生的光响应曲线的类型。在具体的测试工作中我们使用到的光源为75 W的氙灯，它发出的光通过折射，返回进入单色器具，然后又反射到器具上。探测器串联一个2 kΩ负载电阻，与电源形成一个回路，在它的作用之下获取光电流信号，然后通过Si紫外探测仪来对目标进行确定，从而得到GaN肖特基结构紫外探测器的光响应曲线。使用的时间的长短是检测体系光源使用过程中325.1 nm的He-Cd激光器，在对光线进行调整以后，由高速响应的Si紫外探测器测量得到光脉冲的上升时间约为2Ls。光线会照射到探测设备上，探测设备接2 kΩ负载电阻，示波设备与负载电阻设备遵循并联的连接形式，从示波设备能够看到探测设备的光信号波状，从中可以获得该紫外探测设备的响应所需的时间的长短。
2模拟计算结果与讨论
2.1 新结构与普通结构器件的性能比较
一般情况下，一些比较普通的肖特基结构类型的紫外探测设备中，表面态所引起的表面复合容易引起设备量子性能的变小，我们对不同的复合性能的结构类型与比较常见的结构类型的设备进行比较，发现它们之间在性能上的却别。如图2（a）、（b）所示，分别表示的是表面复合速度为1.1×107 cm/s，1.1×1010 cm/s时的结构特点、一般的结构类型，GaN紫外探测设备的响应光谱，在这种情况下，n型AlGaN层的薄厚是20.1 nm、载流子为1.1×1016 cm-3的浓度都可以看得出来，当表面复合速率为1.1×105 cm/s的情况下，不管是什么类型的结构设备它的量子性能之间的区别性都没有太大的显现，同时其量子性能会随随着其波射的长度变化发生细微的变化，响应光谱很平；当表面复合速率为1×107 cm/s时，新结构的优势就体现出来了无论在长波、短波，新结构的量子效率都高于普通结构，但是两者的响应光谱在短波处都有所下降；当表面复合速率为1×105 cm/s时，新的结构体系与普通的结构体系之间具有很大的区别性，新结构器件的量子效率明显高于普通结构的探测器，涉及到的范围值为331.1 nm到361.1 nm，该种类型的结构体系的主要特点在于量子性能要比一般的性能好得多。
图2
2.2 对该紫外探测器的暗电流和C-V特性的测试
根据上图显示的检测体系，测量得到该紫外探测器的光响应曲线，这种类型的监测体系使用的光源是75 W的氙灯，它所发出的光在经过器调设备进行转折调节以后射入单色设备，接着又反射到探测设备上，探测设备连接着2 kΩ负载电阻，和与电源共同形成一个回路系统，通过负载电阻取得的光电流信号，在通过Si紫外探测设备进行目标的明确以后，我们可以获得GaN肖特基体系紫外探测设备的光响应曲线。响应时间检测体系会让光源为325.1 nm的He-Cd激光设备，该设备产生的光线经过斩波设备调节以后，由高速响应的Si紫外探测器测量得到光脉冲的上升时间约为2Ls。
2.3 时间响应依赖于肖特基接触面积、材料的掺杂和迁移率
在响应性能方面肖特基二极管具备一定的平滑性，适于宽带光电探测器，响应效率的最大值要受到半透明顶部接触的光反射状态的限制。最初研制出来的肖特基GaN光电探测设备使用的是Ti/GaN二极管，通过这一点我们可以看到主要的限制范围仅仅为20，而其具体的响应性能为130.1 mA/W，有专门的研究人员采用的是5nmPd在n型GaN上制成肖特基二极管，响应性能为180.1 mA/w，在RC电路的限制之下，反向偏压为-1.35 V时，等效噪声功率为4.0nw；E.Monroy等人。使用MOCVD该项工具的时候在蓝宝石衬底上制备Au、Ni及半透明性质的Si：AIGaN肖特基光电探测设备，最后的检测结果显示响应性能和设备尺寸与肖特基金属不存在任何关系，AlGaN肖特基光电探测设备的响应性能在零偏压的情况下是29.4 mA/W，通常情况下为14.1 ns，具有相同作用的噪声性能为41.5nw。为了研制快速反应设备，可在未掺杂的顶层用肖特基接触，在重掺杂的底层用欧姆接触发展垂直结构。
3结论
在研制蓝光紫光和紫外光大功率短波长耐高温设备这一项上，GaN材料已经取得了一定的进步，GaN紫外探测设备现阶段仍然处在研究过程中，这对于波长超过365.1 nm的可见光和红外光不具有任何特殊的影响，但是对于那些波长不够长，短于365.1 nm的紫外光就能够产生很大的作用，能够提高探测设备的灵敏性。目前主要面对一个问题还是材料问题，所以只要能够找到合适的方式解决这个问题，那么固态紫外探测设备依靠它本身具备有的强大的特点将可以快速替代大部分的真空紫外探测设备，并能推广其使用范围。
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