GaN基PIN紫外光电探测器

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p--i--n型AlGaN基紫外探测器钝化特性的研究的开题报告

p--i--n型AlGaN基紫外探测器钝化特性的研究的开题报告一、研究背景随着人们对环境和生命健康日益关注，紫外光谱技术的应用越来越广泛。

紫外光谱在医学、化学、生物学、环境监测等领域具有重要的应用价值。

因此，开发高性能紫外探测器成为了一个热门研究方向。

AlGaN是一种具有宽带隙、高电场饱和漂移速度和优异的光电特性的材料，近年来在紫外探测器领域得到了广泛的应用。

尤其是p-i-n型AlGaN基紫外探测器，具有响应速度快、灵敏度高、噪声小等优点，在空气、水质等领域的光谱检测中具有广泛的应用前景。

然而，AlGaN材料表面的氧化物和杂质会导致载流子的陷阱，从而降低探测器的效率。

因此，研究p-i-n型AlGaN基紫外探测器的钝化特性，提高其光电转换效率，具有重要的研究意义和应用价值。

二、研究内容本课题旨在研究p-i-n型AlGaN基紫外探测器的钝化特性，并探究不同钝化方法对其性能的影响。

具体研究内容包括：1. 探究AlGaN材料表面的氧化物和杂质对载流子的陷阱作用机理；2. 研究不同钝化方法（如平面化处理、化学处理等）对AlGaN基紫外探测器性能的影响；3. 设计并制备p-i-n型AlGaN基紫外探测器，对其性能进行测试和分析；4. 对不同钝化方法下的探测器的灵敏度、响应速度和噪声等参数进行比较和分析。

三、研究意义通过研究p-i-n型AlGaN基紫外探测器的钝化特性，可以有效地降低其表面氧化物和杂质对载流子的陷阱作用，提高其光电转换效率，增强其探测灵敏度和响应速度。

这对于实现在空气、水质等领域的光谱检测具有重要的意义。

同时，研究结果还将为相关领域的技术开发和改进提供有力支持。

四、研究方法1. 材料制备：采用金属有机气相沉积技术制备AlGaN材料片；2. 简化模型：根据材料特性建立AlGaN基紫外探测器的简化模型；3. 钝化方法：采用不同的钝化方法处理探测器材料表面；4. 测试分析：对不同钝化方法下的探测器进行测试和分析，得到其灵敏度、响应速度和噪声等参数；5. 数据处理：对测试结果进行数据处理和统计分析。

GaN基紫外数字像素光电传感器设计与实现

关键词：ａＧＮ基紫外探测器；字像素传感器；数转换；数模多通道位串行；比较器
中图分类号：Ｎ３Ｔ２文献标识码：Ｂ
ＤｅｉｎａｄｉｐｅｅｔｔｏｆＧａ－ａｅｓｇｎｍｌｍｎａｉｎｏＮｂｓｄＵＶ
摘要：绍了一种为了获得高速高性能的ＧＮ基紫外数字像素光电传感器的设计和实现。介ａ该传感器每个像素单元面积为５ｍ× ０ｌ包含一个ｕ光电探测器，０５ｍ，ｘＶ一个１位比较器和
一
个３Ｔ的存储单元，同时完成对所有像素的ＡＤ转换。像素内比较器电路中引入了一个能／
ＡｂｔａｔＴｅｄｓｇｎｍｐｅｎａｉｎｏＮ— ａｅｉｉｌｐｘｌｐｏｏｌｃｒｅｓｒｆｒｈｇｐｅｎｓｒｃ：ｈｅｉｎａｄｉｌｍｅｔｔｆａＧａｂｓｄＵＶｄｇｔｉｅｈｔｅｅｔｃｓｎｏｏｉｈｓｅｄａｄｏａｉｈｇｅｆｒｎｅｉｐｅｅｔｄＴｅｐｘｌｏｃｐｅｎａｅｆ５ｉｈｐｒｍａｃｓｒｓｎｅ．ｈｉｅｃｕｉｓａｒａｏ０ｕｍ ×５ｘａｄｉｃｕｅｈｔｄｏｅ，－ｉｏ０ＩｍｎｎｌｄｓａＵＶｐｏｏｉｄａ１ｂｔｃｍｐｒｔｒａｄａ３Ｔｍｅｒｅ１ＩｈｅｓｒｔｅＡＤｏｖｒｉｎｃｎｓｍｕｔｎｏｓｙｂｅｏｍｅｒａｌｐｘｌ．ｏａａｏｎｍｏｙｃｌｎｔｅｓｎｏ／ｃｎｅｓｏａｉｌｅｕｌｅｐｒｒｄｆｌｉｅｓ．ｈａｆｏＡｎａｔｍａｉｅｅｉｃｉｉｉｔｄｃｄｉａｈｐｘｌｃｍｐｒｔｒｃｒｕｔａｄｉｃｎｉｃｅｓｈｅｋｓｇａｏｎｉｅｕｏｔｒｓｔｃｒｕｔｓｎｒｕｅｎｅｃｉｅｏａａｏｉｉｎｔａｎｒａｅｔｅｐａｉｎｔｏｓｃｏｃｌｒｔｎｙａｃｒｎｅｂｉｉｌｃｒｌｔｄｄｕｌａｌｇｏｅａｉｎＴｅＤＰａｉａｄｄｎｍｉａｇｙｄｇｔｏｒａｅｏｂｅｓｍｐｉｐｒｔ．ｈＳＡＤＣｃｒｕｔｒｍｐｅｎｅｙｏａｅｎｏｉｃｉａｅｉｌｍｅｔｄｂｓ

氮化镓基紫外探测器

2）存在的主要问题 Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17% Si衬底和GaN之间56%的热膨胀系数差异导致较大的热失配，从而产生微裂。 Si扩散及SiNx形成问题
3）采用的研究方案
采用高温AlN缓冲层技术，抑制Si扩散，缓解晶格失配。采用插入层技术，解决由于热失配导致的GaN层微裂问题。可协变衬底技术，解决晶格失配和热失配问题。
GaN grown by the two-step method
2 m
3）自行设计组装了MOCVD设备在位监测系统，对GaN基材料的生长规律和过程有了更深刻的理解，进一步优化了N型GaN 、P型GaN和AlGaN的生长参数，材料质量得到了进一步的提高
B
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
4000
3000
PL Intensity (a.u.)
2000
1000
0
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
Wavelength (Angstrom)
3 氮化镓基激光器
1）通过计算机模拟计算和分析确定了分别限制异质结结构的激光器结构的各层基本参数；
P-electrode
Si衬底GaN基 LED及LD等器件便于集成。低成本、高质量和大面积的Si衬底。
Si基GaN器件制作较SiC和Al2O3衬底器件简单，成本低。
Si衬底生长GaN基材料取向为： GaN(0001)[2-1-10]//Si(111)[02-2], 因此，Si衬底生长的GaN基外延片易解理，更适合大批量生产。 Si衬底优越的散热性能，在大面积集成、显示方面的应用将显示出更多的优越性

基于GaN的紫外探测器线列

基于GaN的紫外探测器线列
高国龙
【期刊名称】《红外》
【年(卷),期】2001(000)010
【摘要】@@ 美国哥达德空间飞行中心最近研制了一种基于氮化镓的紫外探测器线列,这种紫外探测器线列对大部分可见光光谱是盲目的,其截止波长为370 nm.它能在存在大量可见光辐射的情况下进行紫外光成像,而无需用大面积的挡板来抑制杂散光或者用昂贵的滤光片来阻挡可见光.该GaN探测器列阵的体积、重量及功耗比现在用于深测紫外光的光电倍增管和微道板低一个数量级,它还能够在较低的电压下工作.此外,GaN材料比较坚固,用它制备探测器比较容易.
【总页数】1页(P37)
【作者】高国龙
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN2
【相关文献】
1.一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计 [J], 孙茜怡;关钰
2.GaN基p-i-n和肖特基紫外探测器的响应光谱及暗电流特性 [J], 易淋凯;黄佳琳;周梅;李春燕;赵德刚
3.背照射和正照射p-i-n结构GaN紫外探测器的i-GaN和p-GaN厚度设计 [J], 周梅;李春燕;赵德刚
4.n-ZnO/i-ZnO/p-GaN异质结紫外探测器研究 [J], 张权林
5.p-GaN/Al_(0.35)Ga_(0.65)N/GaN应变量子阱肖特基紫外探测器 [J], 游达;许金通;汤英文;何政;徐运华;龚海梅
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背照式AIGaN／GaN基光电探测器的结构设计及性能模拟

ｏｔｅｔｎａｄｒｆ— ｆｕｉｎｑｔｎ．Ｓｍｉａｔｔｅｕｌｓｅｄｔ，ｔｅｐｃｒｌｘｅａｑａｔｍｎｈｓａｄｄｔｄｉｆｓｏｅｕａｏｒｉｉｉｌｒｏｈｐｂｉｈｄａａｈｓｅｔａｅｔｒｌｕｎｕｎｅｃｅｃｆｔｅｅｐｏｏｉｄｓｗｏｌｅｉｃｅｓｎｔｈ－ａｅｉｋｓｄｂａｏｔｇ．Ｉａｏｎｉｆｉｎｙｏｓｈｔｄｏｅｕｄｂｎｒａｉｇｗｉｔｅｉｌｙｒｔｃｎｅｓａｉｓｖｌｅｔｗｓｆｕｄｈｈｈｎａ
质结吸收区和倍增区分离的雪崩光电二极管（ＡＡＤ）ＳＭＰ进行了建模，拟分析了这两种探测器的光模
电响应特性和电学参数，结果与实测数据和文献报道数据一致性较好。计算时还考虑了材料制备和器件工艺的实际情况，分析了有关参数对器件性能的影响，些结果对于分析器件的工作机制以及提这
第４０卷第ｌｌ期
Ｖｏ．０Ｎｏ１１．１４
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｎｎｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｇｒ
Байду номын сангаас
２１０１年１月１
ＮＯＶ．２０１１
背照式ＡＧａ／Ｎ基光电探测器的结构设计及性能模拟ＩＮＧａ
．
．
（．ｔｅｅｔｎｃｏｌｅＣｏｇｉｇＵｎｖｒｉｆＰｓｎｅｅｏ１ＯｐｏｌｃｒｉｓＣｌｇ，ｈｎｑｎｉｅｓｙｏｏｔａｄＴｌｃｍｍｕｉｔｎ，ｈｎｑｎ０００ＣｉａｏｅｔｓｎｃｉｓＣｏｇｉｇ４０６，ｈｎａｏ

高性能GaN紫外探测器

高性能GaN紫外探测器
佚名
【期刊名称】《《传感器世界》》
【年(卷),期】2005(011)006
【摘要】GaN紫外探测器具有可见光盲、量子效率高、可在室温下工作、耐高温性和耐化学腐蚀性好、抗辐照能力强等优点，在宇宙飞船、火灾监测、紫外通信等领域有重要的应用价值。

本探测器在材料生长方面，生长出高质量的本征GaN材料、N型和P型GaN材料以及AlGaN材料，在器件结构设计方面，采取模拟计算与实验相结合，对探测器器件结构参数进行了优化设计，并提出几种改进器件性能的新型器件结构。

【总页数】1页(P42)
【正文语种】中文
【中图分类】TN23
【相关文献】
1.一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计 [J], 孙茜怡;关钰
2.GaN基p-i-n和肖特基紫外探测器的响应光谱及暗电流特性 [J], 易淋凯;黄佳琳;周梅;李春燕;赵德刚
3.背照射和正照射p-i-n结构GaN紫外探测器的i-GaN和p-GaN厚度设计 [J], 周梅;李春燕;赵德刚
4.n-ZnO/i-ZnO/p-GaN异质结紫外探测器研究 [J], 张权林
5.p-GaN/Al_(0.35)Ga_(0.65)N/GaN应变量子阱肖特基紫外探测器 [J], 游达;许金通;汤英文;何政;徐运华;龚海梅
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一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计

一种用于GaN紫外探测器的前置放大器电路的分析与设计以GaN光伏型紫外探测器输出的微弱电流信号为根据对探测器的前置放大电路进行设计，首先运用标准的电路理论建立了等效噪声模型，分析计算了电路中各个噪声源引起的噪声，导出了光电检测电路的信噪比输出公式，对影响光电检测电路输出信噪比的因素进行了详细的分析与研究；同时还给出了跨组放大器带宽与稳定性之间的关系，最后用multisim10软件的仿真印证了分析和设计的正确性。

标签：紫外探测器；前置放大器；噪声；稳定性引言空空导弹系统中多为红外制导和雷达制导。

随着干扰手段的发展，单一的探测手段已经不能满足抗干扰的需求。

于是，出现了双色探测器等多探测体制，如紫外/红外、紫外/激光、红外/激光等多种复合探测体制。

继红外探测技术之后紫外探测技术成为又一重要的军民两用光电探测技术。

相较于红外探测系统，紫外探测技术因其独有优势，受到了军方的关注。

正是因为军方的重視和紫外探测技术的独特性，本文开展紫外信号检测放大技术的研究，以此来确定一种更适合紫外信号的前放电路结构，并对它的噪声特性及抑制方法进行分析和验证。

1 紫外探测器紫外探测器件主要分为点探测器和像探测器。

半导体紫外探测器件因其体积小、过载高在军事中应用较多。

本系统中采用GaN基紫外探测器，光谱响应区间在260～380nm，峰值响应波长为365nm。

在探测器应用中多采用PIN结构[2]，I层会加大耗尽层厚度。

I层有更高的电阻相对于PN层，这里的反向偏压形成高电场区，加宽了光电转换的有效工作区域，使暗电流有所降低，提高了灵敏度，探测器的电容也有减小。

紫外探测多采取直接探测，所以在光信号功率小时，电信号输出相应也较小。

一般在实际探测器的应用中，为了方便后续处理，通常使用前置放大电路将信号放大。

紫外探测器中就要设计合理的前置放大电路，以保证探测系统能够在一定的输出信噪比下工作。

2 前置放大电路微弱光电信号前置放大器，信号小，输入信噪比低，在空空导弹系统等军用系统中多有专门的低噪声放大器。

GaN肖特基紫外探测器电流输运机制研究

ｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｉｔｈＡＭＰＳ一１Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｗｅｆｏｕｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔ—ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗｈｉｃｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅ
ｐＡＧａＮ为代表的ＩＩＩ－Ｖ族氮化物是宽带隙半导体材料，并且具有热导率高、介电常数低、电子漂移饱和速度高等特点，适合于制作高频、高功率、高温、抗辐
广西大学硕士学位论文
ＧａＩＮ肖特基紫外探测器电流输运特性研究
射和高密度集成的电子器件，利用其宽直接带隙的特点，还可以制作蓝光、绿光、紫外光的发光器件和光探测器件。在发光器件方面（ＬＥＤ、ＬＤ）６ａＮ基材料己取得了极大的成功ｔ３，４１，由于其发光波长深入到紫外区域，对光显示、光储存、光照明、光探测等领域都产生了巨大的影响。高效率的绿光ＬＥＤ已经被广泛用于交通显示灯，以及室内外ＬＥＤ全色显示屏；紫外ＬＥＤ可激发荧光粉用作白光照明灯，作为新型节能固体光源，使用寿命可以超过１０万小时，耗电量仅为白炽灯的１，５～１／１０。短波长蓝光或紫光ＬＤ在激光印刷、信息存储方面可发挥巨大作用，若将波长为４１０ｎｍ的ｌｎＧａＮ蓝光激光器用于ＤＶＤ激光读写头，光盘的存储容量将可高达１５ＧＢ，从而更好的满足信息时代“大容量”的要求Ⅱ川。
ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｓ：
１．ＷｅｈａｖｅａｎａｌｙｚｅｄｖａｒｉｏｕｓｍｏｄｅｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄｏｆＧａＮＳｃｈｏｔｔｋｙｌｅａｋａｇｅｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｅｔｈｏｕｇｈｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｓｎｏｔｓｉｎｇｌｅ，ｉｔｉｓｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅａｃｈｋｉｎｄｏｆｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅ－ｃｈａｒｇｅ－ｌｉｍｉｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔ（ＳＣＬＣ）ｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｔｈｅｄｏｍｉｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ．

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• （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 ))