（微电子学与固体电子学专业论文）gan基日盲型紫外光电探测器.pdf

分类号。密级 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目g a n 基日盲型紫外光电探测器 英文题目g a l l i u mn i t r i d eb a s e ds o l a r b l i n d u l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r s 硕士研究生黄绍春 指导教师 江永 清高工 学科专业微电子学与固体电子学 论文提交k l 期墨监! ! 论文答辩日期兰型2 ：主 论文评阅人 答辩委员会主席 j 氐2也 q 、 2 0 0 7 年，月弓日 摘要 摘要 长波截止波长小于2 8 0 n m 的g a n 基 二1 旨型光电探测器在生化检测、余 焰探测、空问光通讯等军用和民用领域具有巨大的应j j 潜力，近年来得到 了广泛的关注，进行了大量的深入研究。本文介绍了我们在这方面所做的 研究工作，着重晚明了对实现只盲探测具有重要意义的g a n 材料的外延生 长及掺杂、感应耦合等离子体刻蚀( 1 c p ) 平lg a n 欧姆接触的制作这三个方 面的实验研究工作情况。 对于g a n 基r 盲型光电探测器这样的新材料、新器件课题而言，器件 的制作工艺水平是决定器件性能的一个重要方面，而器件的设计技术水平 和晶体生长质量是获得高性能器件的决定性因素。文章首先会介绍g a n 基 r 肓型紫外探测器研究的概况，接下来简要分析了本课题采用的探测器的 基本结构 ，“倒装异质结光电二：极符”( j h p ) p - i n 型结构的工作原理和 特点。文章的第三章介绍了有机金属化学汽柏淀积( m o c v d ) 外延生长g a n 材料工艺，以及通过渐变6 m g 掺杂获得商浓度p 型掺杂的实验研究。紧 接着的两章，对g a n 基f 1 盲型光电探测器制作工艺作了详细的分析，着重 介绍了两方面的研究工作：i c p 工艺参数对g a n 和a i g a n 刻蚀速率、刻 蚀得到的表面的影响的研究，以及g a n 材料的欧姆接触制作工艺的研究。 在本文的最后，通过对制作得到的a 1 x g a n g a n 紫外探测器的电流一电压 特性和光谱响应特性分析表明，器件实现了真正的紫外一盲型探测，器件 的参数都达到了设计目标。 关键词：g a n ，紫外光电探测器，f 1 盲，i c p ，欧姆接触 重庆邮电人学硕十论文 ab s t r a c t t h eg a nb a s e ds o l a r b l i n du l t r a v i o l e t ( u v ) p h o t o d e t e c t o r sw h o s ec u t o f f w a v e l e n g t hu n d e r2 8 0 n ma r ec r i t i c a lc o m p o n e n t si nan u m b e ro fa p p l i c a t i o n s ， i n c l u d i n gb i o l o g i c a l a n dc h e m i c a ld e t e c t i o n ，f l a m es e n s o r s ，d e t e c t i o no f m i s s i l ep l u m e s ，a n ds e c u r es p a c e t o s p a c ec o m m u n i c a t i o n s a n da t t r a c tal o t o fa t t e n t i o no ni t sr e s e a r c h t h isd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e so u rr e s e a r c hw o r k i n g i nt h i s f i e l d ，a n dt h r e ea s p e c t so fr e s e a r c hw o r k i n gw h i c ha r e c r i t i c a lf o r i m p l e m e n t a t i n gs o l a r b l i n dd e t e c t i o na r es h o w ni nd e t a i l ，i e e p i t a x yg r o w t h g a na n di t s d o p p i n g ，i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) e t c h i n g ，a n d t h e f a b r i c a t i o no fo h m i cc o n t a c t st og a n f o ran e wp r o j e c tw h i c hi sr e l a t e dw i t hn o v e lm a t e r i a l sa n dn e we l e c t r o n i c d e v i c e s ，s u c ha sg a l l i u mn i t r i d e ，t h el e v e lo fd e v i c e sf a b r i c a t i o ni si m p o r t a n t f o rd e v i c e s p e r f o r m a n c e ，t h ed e v i c e s d e s i g na n dt h eq u a l i t yo fc r y s t a la r e c r i t i c a lf a c t o r sf o rh i g h p e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nf ir s ti n t r o d u c e st h e g e n e r a ls t a t u e sa b o u tg a nb a s e du vp h o t o d e t e c t o r s ，f o l l o w i n gi s s o m eb r i e f a n a l y s i sa b o u tt h ec o r ed e v i c es t r u c t u r e - i n v e r t e dh e t e r o s t r u c t u r e ( i h p ) p - i - n t y p ep h o t o d i o d e s c h a p t e r 3i n t r o d u c e st h ee p i t a x yg r o w t ho fg a nb y m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( m o c v d ) a n di m p l e m e n t a t i o no f h i g hd o p e dp - t y p eg a nb yg r a d u a l c h a n g e8 一m gd o p p i n g f o l l o w i n gt w o c h a p t e r s ，i n t r o d u c et h ep r o c e s so ft h i sp h o t o d i o d e sf a b r i c a t i o ni nd e t a i l ，a n d t w or e s e a r c hw o r k sa r ed e s c r i b e de s p e c i a l l y ，i e t h e e f f e c t so f ( i c p ) s p a r a m e t e r so nt h ee t c h i n gr a t eo fg a n ，a n o t h e rw o r ki st h ed e e pr e s e a r c hw o r k o np r o c e s so fg a no h m i cc o n t a c t s a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ， m e a s u r e m e n to nt h e c u r r e n t - v o l t a g e a n d s p e c t r a lr e s p o n s i v i t y o ft h i s a l x g a l x n g a nb a s e du vp h o t o d i o d ei s c a r r i e do u t ，r e s u l t ss h o wt h a tt h e p h o t o d i o d ei s i n d e e dw o r ko ns o l a r - b l i n dm o d e la n di t s p e r f o r m a n c ea r e c o n t i g u o u sw i t ht h et a r g e to fd e s i g n i n g k e yw o r d s ：g a n ，u vp h o t o d e t e c t o r s ，s o l a r b l i n d ，i c p ，o h m i cc o n t a c t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。扼我所知，除了文中特别加以标注和敛蝴的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆 邮血r 大堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者躲亏伤签字m 哆年厂月3 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽自5 也盘堂有关保留、使用学位论 文的舰定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重匮壑壹太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权节) 学位论文作者签名：乡伤多铷签名： 签字同期：办夕年月3 同签字f 1 期：h 心夕年月歹f 1 第一章概述 第一章概述 1 1 紫外光谱区及u v 探测器 一般地，将波长x 在4 0 0 n m 至8 0 0 n m 之f l 甘j 的入眼可见的光谱区称为可 见光区，而将 = 4 0 0 1 0 n m 的光谱区称为紫外光( u v ) 区。紫外光具有极 高的辐射电离能。最重要的自然紫外光源就是太阳，大气层内圈从太阳接 受的能量中9 是以u v 光的形式吸收的。 按照u v 辐射对生物体的影响，通常将其进一步分为三个区域： u v af4 0 0 3 2 0r i m ，相应能量3 1 3 8 7e v ) 这是一个能量相对 较低的区域，它有助于光合反应。 u v bf3 2 0 2 8 0r i m ，相应能量3 8 7 4 4 3e v ) 这一谱段辐射能被 臭氧层部分地吸收，但其仍构成了到达地表的u v 辐射总量的l o 。 u v c f2 8 0 1 0n m ，相应能量4 4 3 一1 2 4e v ) 这是能量最强的区域， 也是毁害性最强的区域。小过，臭氧层能将它几乎完全地吸收。 本文所讨论的同盲型紫外探测器就是指的工作截止波长小于2 8 0 n m ， 即上面u v c 光谱区的光电探测器。如上所述，到达地表的阳光中的u v c 部分已被臭氧层完全吸收掉了，所以同盲型探测器探测不到任何太阳辐 射，因而也就能滤除后者的干扰，这样闩盲型探测器如果探测到的一个信 号，那么就必然存在一个相应的紫外光辐射源，比如况冥火、火箭羽焰等 等。 紫外辐射探测在民用和军事方面应用的领域非常广，例如生化分析( 臭 氧、在u v 光谱区具有吸收线的复合物和污染物) ，冥火遥测( 包括火险报 警、导弹告警或检测燃烧过程) 、光通讯( 特别是波长 2 8 0n m 的卫星问 通讯) ，发射装置的校准( 仪器的发射装置、u v 光刻) ，以及天文学研究方 面。 事实上对紫外探测器和成像仪的研究和丌发直就是光电器件研究的 一个重要方面。传统的光电倍增管( p m t ) 由于存在量子效率低、工作电压 高、抗辐射性差、体积难减小等不足；而硅材料的探测光谱区主要处于可 见光区，若要实现紫外探测，需要在前端加装价格昂贵的滤光片，所以市 场一直对固体器件型的、低成本高性能的紫外探测器存在巨大的需求。 重庆邮电人学硕十论文 表i iu v 光电探；! 【1 4 器的比较【2 类删优势劣势 i ) 发展时间k ，技术成熟： i 作电乐高： 2 ) 日盲探测链子效率d o e 高，在波2 ) 探洲灵敏度同光的入射角 m c p 微通道扳u v 探k 12 0 2 5 0 r i m 范闻内，可达10 - 2 5 ；紧密相关： 洲器3 ) 动态范嗣宽，整体动态范同g d r3 ) 人光敏面的m c p ，在制作 ( m i c r o c h a n n e lp l a t e )3 x l0s c n t s s e c 局部动态范嗣l d r过样中要求特殊处理 5 0 c n t s ，s e c ： 4 ) 抗辐照 1 ) 探测昔子效率d q e 极高； 1 ) 需要极高的i ：作电压 2 ) 尺寸和重封适中： 10 ，0 0 0 v ) ： e b c c d 3 ) 没计难度相对较小，易丁实现；2 ) 还没有制作山可川丁近 电子轰击c c d 系统 4 ) 能够同时在光子计数和模拟方式u v 应州的密闭t u b e ； ( e i e c t r o n r ：作，获得最人的局部动态范闱3 ) 由丁高的i 作电压，不能 b o m b a r d e dc c d l l d r ：应川丁快述光系统( i f 8 ) 5 ) 具备抗辐燃能力 i ) 宽带隙特性使得g a n 基光电探洲i ) 目前还无法得刨高质罐的 器不但没有热噪声，同时也能获得材料，导毁器仆暗i 乜流很人； 极高的日盲u v 探洲苗子效率；2 1 同所有的l 古| 体探测器一样， a i x g a n g a n 异质2 ) 结构可以殴计得紧凑、简单，器存在读出噪卢 结u v 探洲器什具备抗辐照能力： 3 ) 局部动态范隔l d r 竹常人； 4 1 ，艮波截j p 波k 住1 9 5 3 6 5 n m 范用 可调 1 ) 在红外可见光，紫外x 射线都能1 ) 不具备日盲特性，不能作 s t j sa n dt e s e s 获得相当好的颦子效率q e ；为越川掣的u v 探洲器： 超导隧道结平渐变 2j 能姑分布的3 d 分布i 利象精度住 2 ) 必须在超低温度ri 。作， 缘探测器 个像素点之内：增加了设备的复杂科度，降 ( s u p e r c o n d u c t i n g 3 ) 作为蚓态探测器，具有光子计数低了u v 探测效率； t u n n e l i n gj u n c t i o n s 的能力；3 ) 可见光光子同u v 光子混 a n dt r a n s i t i o ne d g e 合在一块儿。可能产生探测 s e n s o r s ) 误筹。 经过数十年的研制，目前已经有数种趋于成熟的和( 或) 正在丌发中的固体 紫外探测技术可供选用1 2 1 ，表1 1 是对已报道的四种性能优良的紫外光电 第一亭概述 探测器的一个比较。 由表1 1 的比较，我们发现，相对于其它三种紫外探测技术而言，由 于g a n 材料自身的宽带隙等特性，使得a 1 x g a h n g a n 异质结同盲型光电 探测器( p d s ) 具有明显的优势，一旦将材料的问题和器件制作工艺的问题解 决，就可以作为传统的光电倍增管和加装滤光片的硅基光电探测器的一种 理想的同盲型紫外探测替代产品。 1 2g a n 材料适于紫外探测的特。性 已经证实，纤锌矿结构i i i 族氮化物( i n n ，g a n ，a 1 n 及它们的合金) 是 其最稳定的形式，在室温下，它们就能表现出直接带隙的特性；带隙由i n n 的1 8 9e v ( 对应于真空波长6 5 6n m 的红色荧光) 到g a n 的3 3 9 e v ( 对 应波长3 6 6n m ) 直至a i n 的6 2 e v ( 对应深紫外2 0 0 n m ) 1 31 ，这样就构 成了一个极宽的光谱范围。而我们知道，相对于间接禁带半导体材料，直 接带隙半导体材料吸收光子，产生电子空穴对的量子效率要高得多，因而 以a i 。g a i - x n g a n 异质结材料制作紫外探测器就比包括s i c 等宽禁带问接 带隙材料具有优势：此外，由本征载流子浓度公式： _ = 扣万e x p i 可知，宽带隙材料在同样的温度f 具有较小的本征载流子浓度，有助于探 测器的热载流子浓度保持在一个相当低的水平，因而减小了器件漏电流。 对a i 。g a l 。n 材料复数折射率的研究表明，其折射率适中，而吸收系 数很大。随着a l 组分的上升，a i ，g a h n 的折射率下降。在 = 4 0 0n m 处， g a n 和a l n 的折射率分别约为2 6 和2 2 ，这些值要比大多数窄带隙的i l i v 族化合物半导体材料小得多。随a l 组分的不同，在稍高于截止波长处， a l 。g a h n 的吸收系数超过了1 0 5c m ，这一值要比其它的i i i v 族材料高 了约一个数量级，因而a 1 ，g a h n 对紫外线的吸收极强，典型的透入深度 03 】 n - i y p eg a n s u b s t r a t c p - t y p eg a n i - a i g a i - i n ( x 0 3j b t y p ea i 、( ；3 i ，n y ，x $ u b s a a t c 剀2 3 采_ l f ji h p 结构改计的止j ! 式( a ) 干i 背照式( b ) a i g a n 基光电- 二极管结构示意幽” 背照式结构的优势包括：避免了光信号需透过p - g a n 层d 能被 a i x g a 卜x n 层吸收的麻烦( 这历个层的界面处能带如果有显著的弯曲可能导 致界面形成“光死区”，使得p i n 光电二极管的光牛载流子在被p 型电极 收集前就在“光死区”中复合了) ，提高了器件的肇子效率：同时，这种结 构在优化p 型接触的几何结构方面也具有极大的灵活性【2 “，不需要凹刻窗 1 ：3 或半透明的p 型接触层，因而p 型接触的电学特性可以被充分地优化。 如，可以采用厚p 型层束降低p 侧的接触阻抗，而不降低器件外量子效率。 1 2 7 1 第一二章u v 光l h 探测器基本结构 2 4 本课题中所用的结构 通过本章前面部分的介绍，我们基本上对紫外探测器常用的三种结构 d i n 型、m s m 型和s c h o t t k y 势垒型有了一个比较性的认识，接着我们还 针对现有材料条件下制作a i x g a 似n g a n 异质结p i - n 綮外探测器的困难， 介绍了一种称为“倒装异质结光电二极管”( i h p ) 的结构，最后我们还讨论 了d j n 型u v 探测器的正照式和背照式的选择问题。 基于的面的讨论，着眼于课题中紫外同盲型探测的需要，我们选择了 背照p i i i 结构，因为这样有利于同读出电路相结合，便于今后紫外f 1 盲 型成像仪的研制。我们的器件的具体结构如图2 4 所示。 n i a “ ，| i a l n i a i t l p - g a n2 0 0 m p - a lo42 g 3o5 n5 0 10 0 n m a l o42 g ao5 n - 0 0 - 3 0 0 n m s i 0 2 n a i o6 g a o4 n4 0 0 6 0 0 n m 2 3 个j f 4 期的a i g a n g a ns l 蓝宝石衬底 ，0n ，00 幽2 4a 1 。0 a 一* n g a n 基目盲删紫外探刎器结构示意幽 器件工作的基本过程是：入射光经由双而抛光的蓝宝石衬底和低温 a i n 成核层