高效能GaN材料的MSM-PDs探究

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：1997年，Carrano等人利用低压金属有机气相沉积法制备了光电导型GaNMSM-PDs，该探测器的响应在350nm处开始截止，对可见光不响应，其暗电流值也很低，在10V反向偏压下暗电流为57pA［278］。对于GaNMSM-PDs，同样也存在金属电极对活性区域遮挡带来的器件性能的下降问题。使用高功函数的金属作为接触电极对于降低GaNMSM-PDs的暗电流同样有效。2013年，Muhammad等人模拟优化了具有不同功函数的金属Pt、Pd和Ni作电极的肖特基型n-GaNMSMPDs［288］。GaN材料虽有许多优异的性能，

Ⅲ族氮化物具有直接宽禁带、高击穿场、高热导率和高电子饱和速率等优异性能［267～269］，使得它们在光电子领域的研究和应用十分热门，特别是其直接带隙使得Ⅲ族氮化物具有高的光电转换效率，而且AlN、GaN和InN可形成多元合金，调节其合金组分比例即可实现带隙0.7～6.2eV的连续变化［270，271］。

1997年，Carrano等人利用低压金属有机气相沉积法制备了光电导型GaNMSM-PDs，该探测器的响应在350nm处开始截止，对可见光不响应，其暗电流值也很低，在10V反向偏压下暗电流为57pA［278］。1999年，Walker等人在蓝宝石衬底上生长了非故意掺杂的高速紫外GaNMSM-PDs，紫外可见抑制比达到105数量级，如图6.6（a）所示，他们还研究了光电流响应时间随负载电阻的变化曲线，最终拟合出该器件的最低响应时间应该小于10ns［272］。2000年，Xu等人利用分子束外延法生长了无掺杂的GaN膜，同样也实现了太阳盲区紫外光电探测［273］，基于如图6.6（b）所示的响应率与偏置电流之间的线性关系图，可以看出该器件的工作原理也是光电导型。

对于GaNMSM-PDs，同样也存在金属电极对活性区域遮挡带来的器件性能的下降问题。2001年，Jiang等人基于蓝宝石基底制备了如图6.6（c）所示的背照射式GaNMSM-PDs［274］，该探测器在波长350nm、5V偏压下，背照射式下的器件响应率为16.5A／W，是顶照式的55倍，此外该器件还展现出极低的饱和暗电流（2.06pA）。另外，使用透明电极也是优化器件性能的一种十分有效的途径［279-284］。例如，Wang等人对比了ITO、TiW及TiN三种不同透明电极应用于肖特基型GaNMSM-PDs中的性能［285］，他们发现ITO虽然透光率高，但ITO与GaN界面处的肖特基势垒较低，导致综合性能较差，而TiW的透光率虽然不如ITO，却优于TiN，并且TiW与GaN界面的势垒最高，从而有效地抑制了暗电流，实现了最佳的明暗电流比，他们制备的TiW透明电极器件具有0.192A／W的响应率，相应地量子效率为66.4%。

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图6.6　（a）非故意掺杂GaN（nidGaN）和Mg掺杂GaNMSM（GaN∶Mg）光电探测器的光谱响应［272］；（b）GaNMSM－PDs的响应率随外加电流变化的关系曲线图［273］；（c）光从顶部照射和背照射的GaNMSM－PD示意图结构［274］；（d）含ZrO2绝缘层的GaN MSM－PDs的明暗电流随外加电压变化的关系曲线图，插图为器件结构示意图［275］；（e）具有不同Al含量的AlGaN薄膜的透射光谱，插图为带隙与Al含量关系曲线［276］；（f）AlGaN／GaN异质结二维电子气结构MSM－PDs中光生电子传输能带图［277］。

为了降低器件的暗电流，研究者们提出了在电极和GaN中间引入低温GaN、半绝缘AlInN、绝缘层及使用高功函数金属电极等多种方法。2003年，Chang等人成功地在高温GaN外延层与ITO层之间引入一层薄的低温GaN层，该器件在反向偏压下，暗电流接近一个常数3×10-10A，与未引入低温GaN层的器件相比，暗电流下降了三个数量级［286］。2009年，Weng等人在GaN与电极之间插入了一层半绝缘的AlInN，得到一个低的暗电流密度1.8×10-8A／cm2，在5V偏压下紫外可见抑制比达到28306，探测率也达到2.15×1013cmHz1／2／W［187］。2011年，Chen等人在GaN与金属电极间插入了ZrO2绝缘层［275］，在20V偏压下得到一个低的暗电流1.73×10-10A和一个高的光电流1.82×10-7A，相应地明暗电流比为1.05×103，器件结构及性能如图6.6（d）所示。2012年，Lee等人发现对具有Al肖特基金属电极的GaNMSM-PDs在773K下进行热退火可以使器件的暗电流下降至10-6A，而在低于673K温度下热退火器件暗电流上升，这是由于在773K温度下退火形成了AlN势垒层，从而大幅度提高了器件的紫外可见抑制比［287］。使用高功函数的金属作为接触电极对于降低GaNMSM-PDs的暗电流同样有效。2013年，Muhammad等人模拟优化了具有不同功函数的金属Pt、Pd和Ni作电极的肖特基型n-GaNMSMPDs［288］。结果表明，相比于Pd和Ni接触电极，在室温下功函数最高的Pt电极器件在反向偏压20V时展现出最低的暗电流（6.4×10-13A）。他们的理论结果还表明，Pt电极器件比其他器件的响应时间更短，能达到25ps，文中解释这是由于较高的势垒扩大了耗尽区宽度，降低了反向漏电流，使得载流子可以更快地扫向电极，从而使响应速度更快。此外，由于晶格常数及热膨胀系数的不同，GaN在蓝宝石衬底上生长时存在大量的穿透位错，这也是引起器件暗电流升高的原因之一。利用在蓝宝石基底上先长一层AlN成核层来减少穿透位错，可以有效地抑制暗电流［289］。

多元氮化物合金AlxGal-xN材料，其带宽随组分Al的变化可在3.4～6.2eV之间改变，对应地吸收光谱范围为200～365nm［290］，覆盖了太阳盲区（240～280nm），可用来制备日盲深紫外探测器。2010年，Li等人利用金属有机化学气相沉积法在蓝宝石基底上制备了AlxGa1-xNMSM-PDs［276］，随着Al含量的升高，材料的带隙发生明显蓝移，如图6.6（e）所示，Al0.25Ga0.75N的器件在1V偏压下得到一个很低的暗电流20pA，其明暗电流抑制比超过五个数量级，上升沿时间和下降沿时间分别为10ns和190ns。2011年，Xie等人制备了5×5mm2的大面积AlGaNMSM-PDs，具体的结构为Al2O3／AlN／Al0.4Ga0.6N／Ni／Au，该器件在20V偏压下表现出一个超低的暗电流密度3.2×10-12A／cm2，紫外可见抑制比达104量级，具有非常高的击穿电压［291］。

GaN材料虽有许多优异的性能，但其电子迁移率较低。使用氮基A1xGa1-xN／GaN异质结二维电子气结构［292］可以很好地解决这一问题。2010年，Huang等人［277］研究了二维电子气结构AlGaN／GaNMSM-PDs的响应特性。研究发现，在低斩波频率40Hz下，光电流主要是由GaN主体层产生的，随着斩波频率的增加，在波长361nm处的响应逐渐占据主导地位，这表明这种峰值响应对频率的依赖性很小，并且比GaN主体层有一个更快的响应速度，这种响应是由于AlGaN／GaN异质结所形成的二维电子气通道实现了光生电子的高效传输，具体的原理如图6.6（f）所示。

GaN通常是外延生长在蓝宝石或碳化硅衬底上的，在Si和GaAs衬底上制备GaN薄膜的报道很少，但是由于Si和GaAs衬底与半导体工艺兼容，人们也尝试在这些衬底上制备GaNMSM-PDs。2013年，Saron等人利用热气相沉积法在n-Si衬底上生长了GaN薄膜，并基于该薄膜制备了MSM紫外光电探测器，其中薄膜生长时间为45min的器件表现了最佳的性能，在5V偏压下，该探测器明暗电流比为240，响应率为0.28A／W［293］。2016年，Afzal和Devarajan利用磁控共溅射技术在N型GaAs衬底上低温生长了AlInN多晶薄膜，测得的带隙为3.39eV，基于此薄膜他们制备了Pt接触的MSM-PD，在波长360nm光照下，该器件展示了最好的响应率0.06A／W［294］。当在365nm紫外光照下，随着电压（正向偏压和反向偏压）的增加，电流都大幅增加，偏压5V时得到最大的增益29.4，上升沿时间和下降沿时间分别为0.70s和0.72s。这些初步的研究表明，在Si和GaAs衬底上开发低成本GaNMSM-PDs也是可行的。

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