AlGaN紫外光電導探測器的研究
近年來，GaN及其合金成為人們重點研究的第三代半導體材料，具有禁帶寬度大、導熱性能好、電子漂移飽和速度高以及化學穩定性高等優點，對于抗輻射、耐高溫的高頻大功率器件以及工作于紫外波段的光探測器件，具有極大的發展空間和廣闊的市場［1］。
GaN基三元合金AlxGa1-x材料是波長范圍連續的直接帶隙半導體，隨材料Al組分的變化其帶隙在3．4～6．2eV之間連續變化，帶隙變化對應波長范圍為200～365 nm［2］，覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收光譜區(230～280 nm)，非常適合于制作太陽盲區紫外光探測器。由于大氣吸收而造成的太陽盲區現象使得紫外光探測器在導彈跟蹤以及預警設備方面應用很廣。而光電導探測器具有制作簡單、光響應較大的優點，因此，對AlGaN紫外光電導探測器的研究具有重要的意義。
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長高質量的未摻雜AlxGa1－xN外延層，并以此為材料制作了AlxGa1－x N紫外光電導探測器，測量了該探測器的I-V特性和紫外光響應特性，分析了探測器中存在的持續光電導效應(PPC)的產生機理。
1 器件結構與工藝實驗
實驗樣品是基于MOCVD方法生長在藍寶石襯底(0001)上的AlGaN薄膜，分別使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和高純氨氣(NH3)作為Ga源、Al源和N源，高純H2作為載氣。樣品具體的制備過程是：在壓強150 Torr、溫度1100℃下高溫處理藍寶石襯底5 min，反應器采用射頻電源加熱襯底。材料生長過程采用兩步法，首先在550℃下生長25 nm厚的GaN緩沖層，1030℃下再高溫生長AlGaN外延層，利用分光光度計外延層厚度測得為2．1μm。生長外延層的氣體流量分別為：NH3為2．1 L/min，TMGa為10 mL/min，TMAl為8 mL/min，H2為2．3 L/min。X射線衍射實驗得出Alx Ga1－xN材料樣品的x值為0．148，探測器樣品結構如圖1所示。
GaN基三元合金AlxGa1-x材料是波長范圍連續的直接帶隙半導體，隨材料Al組分的變化其帶隙在3．4～6．2eV之間連續變化，帶隙變化對應波長范圍為200～365 nm［2］，覆蓋了地球上大氣臭氧層吸收光譜區(230～280 nm)，非常適合于制作太陽盲區紫外光探測器。由于大氣吸收而造成的太陽盲區現象使得紫外光探測器在導彈跟蹤以及預警設備方面應用很廣。而光電導探測器具有制作簡單、光響應較大的優點，因此，對AlGaN紫外光電導探測器的研究具有重要的意義。
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長高質量的未摻雜AlxGa1－xN外延層，并以此為材料制作了AlxGa1－x N紫外光電導探測器，測量了該探測器的I-V特性和紫外光響應特性，分析了探測器中存在的持續光電導效應(PPC)的產生機理。
1 器件結構與工藝實驗
實驗樣品是基于MOCVD方法生長在藍寶石襯底(0001)上的AlGaN薄膜，分別使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和高純氨氣(NH3)作為Ga源、Al源和N源，高純H2作為載氣。樣品具體的制備過程是：在壓強150 Torr、溫度1100℃下高溫處理藍寶石襯底5 min，反應器采用射頻電源加熱襯底。材料生長過程采用兩步法，首先在550℃下生長25 nm厚的GaN緩沖層，1030℃下再高溫生長AlGaN外延層，利用分光光度計外延層厚度測得為2．1μm。生長外延層的氣體流量分別為：NH3為2．1 L/min，TMGa為10 mL/min，TMAl為8 mL/min，H2為2．3 L/min。X射線衍射實驗得出Alx Ga1－xN材料樣品的x值為0．148，探測器樣品結構如圖1所示。
為了提高器件的響應特性，探測器的歐姆接觸采用叉指式電極結構，如圖2所示。指長82μm，寬2μm，指間距離3μm，每個電極有24條指狀接觸。為制備出良好的歐姆接觸，先對AlGaN外延層進行清洗，使用剝離技術，在AlGaN外延層上濺射30 nm的Ti和100 nm的Al作為歐姆接觸，電極金屬化采用50 nm的Ti和500 nm的Au。
實驗光源采用功率約為3 mw/cm2的紫外燈管，紫外下對探測器的暗電流以及光生電流進行了測量和記錄。
2 結果分析與討論
X射線衍射實驗表明所制備的AlGaN樣品為纖鋅礦六角結構，并且沿c軸擇優取向。因為樣品的X射線衍射圖譜中只出現(0002)衍射峰。掃描電鏡對樣品的外部形貌觀測結果表明樣品的表面光滑，說明材料具有較好的結構特性。
利用半導體參數分析儀測量了探測器樣品的伏安特性，如圖3所示。伏安特性正反向均為線性，表明了制作的探測器電極具有良好的歐姆特性。
為了保證實驗結果的正確性，光照前樣品在暗室存放足夠長的時間。5 V偏壓下樣品的光響應如圖4所示。暗電流為15．38 mA，光電流為15．91 mA，光電流上升馳豫時間為2．71 s，下降馳豫時間為4．04 s。
從圖4可以看出，探測器具有明顯的紫外光效應，但光電流下降緩慢，證明該AlGaN探測器存在嚴重的持續光電導效應(PPC)，此效應增加了光響應時間，使紫外光探測器的性能變壞。為了改善器件的響應特性，探測器光響應動力學以及PPC效應的起源，成為光電導探測器的研究重點。
Reddy［3］等人實驗認為GaN基材料薄膜中的PPC與黃光帶效應可能源于同種缺陷。他們發現，只有具有黃光帶效應的樣品才出現PPC效應，而引起PPC效應的光子能量閾值是1．6±0．2 eV，這正好是黃光帶的起始能量值。在1．8～2．2 eV之間，光電流隨光強單調上升，而此能量寬度與黃光帶的寬度正好一致。Chen［4］等人認為引起PPC與黃光帶的材料內部缺陷可能是NGa(N反位)。NGa缺陷在不同的帶電狀態下會發生晶格馳豫現象，這種現象會產生勢壘限制光生載流子的復合，從而產生了PPC效應。有結果表明，GaN材料摻雜Ge和Mg后，可以有效地減弱黃光帶。該結論與Chen等人的假設相一致，因為Ge和Mg原子可以填充Ga空位，從而減少了NGa的形成。
Monroy［5］等人認為PPC現象源于外延層有效導電區的光調制效應。GaN基材料中存在均勻分布的點缺陷，如雜質和空位；在晶格不連續處也存在多種晶格缺陷，如位錯和晶粒間界等。無光照平衡狀態下，一部分缺陷會處于帶電狀態，如Ga空位；一部分缺陷會處于不帶電的中性狀態。紫外光照會使陷阱中的部分束縛電子被離化成為自由電子，降低了陷阱勢壘高度，減小了空間電荷區寬度，從兒增加了外延層的有效導電區，所以可以產生很高的電流增益。光照停止后，電子會重新被陷阱中心所俘獲，由于勢壘的阻擋作用，這個過程很慢，也正是PPC效應的起因。
我們認為，對于理想情況下無缺陷的AlGaN材料，紫外光照會離化晶格原子外層電子成為自由電子，同時產生等量的空穴，從而產生較大的光生電流，此種情況下并不會產生PPC效應。由于目前生長的AlGaN材料中存在很多的缺陷，陷阱中心能夠俘獲一種過剩載流子，正是其俘獲過程對探測器的光電流衰變產生了重要影響，從而導致了PPC效應。很多報道的MSM結構探測器都存在PPC效應，我們制作成功的另外一種MSM探測器也存在PPC效應，按照上面Monroy［5］等人的理論，MSM結構探測器不應該存在PPC效應。這進一步證明了材料中的缺陷是導致AlGaN紫外光電導探測器PPC效應的原因。
3 結語
本文介紹了利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上生長未摻雜Al0．15Ga0．85N外延層，并以此為材料制作了具有顯著紫外光響應的AlGaN光電導探測器，測量了紫外光照下探測器的暗電流、光電流以及光響應馳豫時間，討論了PPC效應產生的機理，認為材料中的缺陷是導致AlGaN紫外光電導探測器PPC效應的原因。
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