太阳能光电工程学院《PIN结构GaN光电探测器性能的研究》课程设计报告书题目：PIN结构GaN光电探测器性能的研究*名：***专业：光伏材料加工与应用技术班级：光伏材料加工与应用技术本科班准考证号： 014411304226设计成绩：指导教师：摘要半导体光电探铡器主要分成两类，光电导型和光伏型。
光电导型原理是由于光生载流子造成电导率的变化，光伏型原理是耗尽区的电场使光生载流子产生定向运动形成电流。
常见的光伏型探测器是pn结和pin型光电二极管，另一类型是肖特基型光电二极管，其耗尽区是肖特基原理形成。
与光伏型相比，光电导型探测器有两个主要优点：具有内增益和制作简单。
然而，光电导型探测器要求加偏置，暗电流大，而且速度慢。
肖特基型光探测器被认为是速度最快的探测器，但是它的势垒较低，漏电流比pin型大。
由于耗尽区窄，而且GaN材料中耗尽区外产生的载流子扩散长度短，肖特基型光探测器量子效率较低。
所以本文选择了pin型光探测器的研究，加入i层是为了扩展耗尽区的宽度，增加对光的吸收。
关键词：氮化镓探测器 PIN 饱和电流目录绪言 (3)第一章 GaN基pin型探测器 (4)1.1 pin型探测器工作原理 (4)1.2 量子效率及光谱晌应 (6)1.3 瞬态响应 (7)1.4 GaN基pin型探测器研究现状 (8)第二章 Ga基pin型紫外探测器的研制 (10)2.1 GaN基pin型探测器分析 (10)2.1.1 GaN材料p诅紫外探测器 (10)2.1.2 pin紫外探测器分析 (10)2.2 材料生长及器件制作 (12)2.2.1 材料生长 (12)2.2.2 版图设计 (12)2.2.3 器件制备 (14)3.1 暗电流 (15)3.2 光电流 (16)第四章 GaN基pin型紫外探测器高温电气性能 (17)4.1 不同温度下I—V性能测试及分析 (17)4.1.1 测试系统的建立 (17)4.1.2 测试结果处理及分析 (18)4.2 不同温度下C-V性能测试及分析 (18)4.2.1 测试系统的建立 (18)4.2.2 测试结果处理及分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)绪言半导体紫外探测器体积小，性能稳定，使用方便。
利用现己成熟的硅或III．v 族化合物半导体工艺技术，研制开发廉价，高效的宽带隙半导体紫外探测器，对于国防和国民经济建设都具有重要的现实意义。
虽然硅基半导体紫外探测器技术比较成熟，但在太阳辐射背景下运行，需配置笨重的带状滤光器，且耐高温、耐腐蚀特性较差。
随着宽带隙半导体PIN结构GaN光电探测器的开发应用，将大大简化紫外光谱监测设备，且能在高温和恶劣环境下运行。
地球上大气对波长300nm 以T的光是不透明的，利用这一光学窗口可以实现太阳盲区紫外探测。
在过去几年中，PIN结构GaN光电探测器取得较大进展。
但是．真正太阳盲区高速、高灵敏度、低噪声GaN探测器尚未实现。
对探测波长在280nm以下的紫外辐射，尚需高质量、高A壤1分的A1：G3l'xN合金材料。
对于pD结型系列，在高Al 组分的A1。
Ga卜xN合金材料中实现高掺杂将面临新的挑战。
对GaN及其三元合金中电子空穴的电离系数尚不清楚，理论计算缺乏可靠的数据。
GaN材料的完整能带结构和其中的深能级起源和特性等许多理论问题有待于进一步研究探索。
尽管如此，GaN基光电探测器已经展示出美好的前景，不久的将来，宽带隙半导体太阳盲区探测器将在半导体工业中占据重要的位置，在军用民用紫外探测、预警、天际及地空通信和紫外弱光成像系统等领域将发挥重要的作用。
第一章 GaN基pin型探测器1.1 pin型探测器工作原理最早出现的光电二极管如图2-1所示，它实质上是一个反向偏置的pn结二极管。
反向偏压的作用是加强内电场和加宽耗尽层，在耗尽区中的电场分布如图2。
l所示。
在入射光的作用之下，在图中所示的吸收区内产生电子一空穴对，吸收区的宽度(或光的渗透深度)与给定波长下入射光强有关。
在吸收区产生的电子和空穴在耗尽层内以高漂移速率分别向二极管的两个电极运动。
但在耗尽层外因只有速度低的扩散运动，这势必影响对光信号的响应速度。
因此，这种简单的口n 结光电二极管不适合于高频应用。
为了提高响应速度，方法之一是加大反向偏压，加宽耗尽层，使耗尽区与吸收区尽量一致。
然而，增大反向偏压是很有限的，最好的方法是减少N区的掺杂浓度，使该区几乎达到本征半导体的状况，这就是下面将要介绍的pin光电探测器。
即在P区和N区之间以轻掺杂施主杂质形成近乎本征(I)区。
图2，2表示了pin光探测器的原理结构和其内的电场分布。
限制pin光探测器响应速度的主要因素有：①载流子横跨耗尽层的漂移时间；②载流子从非耗尽层区扩散所需时间；③对p'm探测器本身的电容和其它寄生电容的充放电时间；④具有异质结结构的pin探测器在异质界面处存在的电荷积累。
其中载流子的渡越时间的影响是主要的，它取决于本征区的宽度矽和载流子的漂移速度V。
如果本征区太宽，光生载流子在该区的渡越时间t，=W／V较长而影响响应速度；如果本征区太窄，又会使光的吸收区超出本征区，而本征区以外的区域不能产生有用的光电流。
载流子的漂移速度受本征区内电场控制。
从渡越时间考虑，薄的本征层可获得高的响应速度。
然而，随着本征层厚度的减少，探测器本身的电容C增加，因而影响响应速度的另一因素一时间常数r=RC将增加(R为欧姆接触电阻和外加负载电阻之和)。
C可表示为式中为比例常数(对硅取占，=11．7)，A为结面积。
合理选择s，和形，可使结电容c达到lpF。
而如果有良好的欧姆接触和选择适当的负载电阻，RC时间常数将不会成为响应速度的限制因素。
1.2 量子效率及光谱晌应对于一个实际的光电二极管来说。
入射光功率P中的一部分一在空气中与光电二极管的界面上被反射掉。
同时在耗尽区内被吸收的光子数与耗尽区的宽度W以及随波长变化的光吸收系数铴(丑)有关。
因此，假如忽略光在表面P区的吸收，则量子效率，7为：为了提高，耗尽区必须足够宽以保证直接带隙半导体合金在光子能量超过禁带宽度时的吸收系数超过，因此只要有几个微米的耗尽区宽度W就可以吸收几乎全部的入射光。
对大多数适合于制作光电二极管的半导体材料来说，由于空气(na=1)与半导体(n；=3．5)之间折射率的突变，将导致在垂直入射情况下的费涅尔(Frenel)反射系数r=0．3。
在光电二极管表面沉积上一层适当的透明抗反射膜可以使这种反射几乎完全消除，否则费涅尔反射将使光电二极管的量子效率玎的最大值低于70％左右。
抗反射膜韵折射率应选取为，氮化硅的折射率n介于t．8～2．0之间，可以用作抗反射膜；其厚度必须相应于光在介质中波长的四分之～。
光在耗尽区外的吸收将使器件的量子效率降低，因为在耗尽区外激发的载流子必须先扩散到耗尽区，才能对光电流有贡献。
将P区或坩区制成对入射光透明,则可以消除光在全耗尽j区外的吸收。
这一点可以应用晶格匹配的半导体合金，将光电二极管设计为具有宽带隙材料的“窗口”层来实现。
这一层宽带隙材料可以作为P区，也可以作为"区。
与载流子在自由表面的复合相比，载流子在这种品格匹配的异质结界面上的复合是可以忽略的。
对于使用者来说，光电二极管的响应度比量子效率更为重要。
前者是光电流与入射光功率P之比值。
响应度通过入射光子的能量与波长有关，它与量子效率的关系可以写成其中h为普朗克常数，v是光子频率。
当波长以微米为单位时,.因此，响应度的一个方便的表达式是，1.3 瞬态响应光电二极管的响应速度依赖于电路的时间常数以及载流予从产生到收集的内部弛豫时间。
电路时间常数也称为RC时间常数，是二极管负载电阻与光电二极管电容的乘积。
对高速检测而畜，二极管的负载电阻常常是50Q。
为获得最小的电容值，需要同时减小结电容、管壳电容及杂散电容。
二极管的结电容简单地表示为，其中s是半导体的介电常数(对大多数化合物半导体而言，其典型值为占)，而A是结面积。
减小结电容要求在允许接收所有的入射光的前提下，采用最小的结面积。
限制结面积可以有几种方法，其中两种最普通的方法有台面结构和平面结构。
这两种器件都可以允许光通过透明的衬底层入射，也可允许通过薄的或透明的P型顶层入射。
将器件设计为具有最大的实际耗尽层宽度可以减小结电容。
为了能在适中的偏压条件下使宽的i层全部耗尽，要求i层的本底掺杂浓度低。
对净施主浓度为ND的i层，单边结的耗尽宽度为，上式中V是反向偏置电压，而vbi是结的内建电压。
若光电二极管的Nnml0”em～，在几伏反向偏压下的耗尽层宽度约为21am，直径为1009m的结，其电容近似为lpF，对50 Q的负载电阻，RC时间常数为50ps。
载流子在光电二极管内的总渡越时间，包括耗尽区内激发产生的光生载流子在外加电场的作用下漂移通过耗尽区的时间，以及在耗尽区外激发产生的光生载流子扩散到耗尽区所需的时间。
耗尽区电场的典型值为E≥10^4Vcm-1，在光电二极管所通常应用的材料中，该电场下由散射所限制的漂移速度大约为10 7cms～。
因此，在上述W=29m的例子中，耗尽区的渡越时间为20ps。
1.4 GaN基pin型探测器研究现状近来大多数研究工作都聚焦在实现pin型紫外探测器。
选择pin结构来设计紫外探测器是因为这种结构有其内在的优点:(1)由于较高的势垒形成较低的暗电流。
(2)m作速度高。
(3)高阻抗适于FPA(Foca!plane array)读出电路。
(4)通过调整本征层的厚度可以调整其量子效率和工作速度。
(5)器件可以在低偏压下工作。
对于这类紫外探测器，有两种工作模式(1)光伏模式(零偏置)，(2)光导模式(反偏压下)。
在反偏压下，耗尽层较宽，器件具有很低的暗电流，也即是它的反向饱和电流。
工作模式取决于它的实际应用。
在光伏模式，它的暗电流为最低，然而光导模式下器件有最快的响应速度。
图2．3为器件结构和原理图。
要制作出高性能的pin型紫外探测器，关键是增加光的透射率，因此选用半透明金属做欧姆接触，并且减薄P层的厚度，减少对光的吸收，有时为了增加外部量子效率，在外面镀上抗反射层。
对于制作高A1组分的器件，有时用电导率相对较高的p型GaN来替代P．AIGaN，来制作更好的欧姆接触，不过厚度要尽量薄。
pin探测器的P层常采用宽禁带AIGaN，避免光穿过它时在p区内产生光生载流子。
为了保证高的响应速度，pin结深不应超过吸收系数的倒数。
要制作短截止波长的器件，需要制作高铝组分的AIGaN材料，D，Walkerl2叫等人制作了A1组分大于70％的器件，其结构为P层A1GaN：M92000埃，i层2000 埃，1 u m的AIGaN：Si，在0V偏压下，在232nm截止波长处，光谱响应度为O．05A ／W，在．5V偏压下为0．11A／W，从I—V特性上得到在10V反偏压下，其漏电流密度为400 u A／cm2。
