宽禁带紫外光电探测器剖析

1、宽禁带半导体紫外探测器宽禁带紫外光电探测器剖析第1页主要内容 引言一 宽禁带半导体紫外探测器概述二 紫外探测器应用 三宽禁带紫外光电探测器剖析第2页 第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料因为含有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件特征及使用存在很大不足，满足不了当前军事系统要求。 第三代宽带隙半导体材料主要包含SiC、GaN、ZnO和金刚石等，同第一、二代电子材料相比，含有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件；而利用其特有宽禁带，还能够制作蓝、绿光和紫外光发光器

2、件和光探测器件。一、引言宽禁带紫外光电探测器剖析第3页表1 Si、GaAs和宽带隙半导体材料特征对比材 料Si和GaAs宽带隙半导体材料SiGaAsSiC金刚石GaNZnO带隙类型间接直接间接间接直接直接禁带宽度(eV)1.1191.4282.9945.53.363.37熔点()142012382830400017001975热导率(W/cmK)1.400.544.9201.5-电子迁移率(cm2/Vs)1350800010002200900-介电常数11.913.189.75.58.9-饱和速率(cm/s)1107210721072.71072.5107-一、引言宽禁带紫外光电探测器剖析第4

3、页 在紫外探测器方面，当前已投入商业和军事应用比较常见是光电倍增管和硅基紫外光电管。光电倍增管需要在高电压下工作，而且体积粗笨、易损坏，对于实际应用有一定不足。硅基紫外光电管需要附带滤光片，这无疑会增加制造复杂性并降低性能。 在过去十几年中，为了防止使用昂贵滤光器，实现紫外探测器在太阳盲区下运行，以材料和外延技术较为成熟SiC、GaN为代表宽带隙半导体紫外探测器引发世界各国重视。一、引言宽禁带紫外光电探测器剖析第5页 宽禁带半导体材料含有卓越物理化学特征和潜在技术优势，用它们制作器件在军用、民用领域有更加好发展前景，一直受到半导体业界人士关注。 不过因为工艺技术上问题，尤其是材料生长和晶片加工

4、难题，进展一直十分迟缓。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术突破，使得宽禁带半导体器件研制和应用得到快速发展。 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等主要领域显示出比硅和GaAs更优异特征，并开始取得非常引人注目标进展。 一、引言宽禁带紫外光电探测器剖析第6页 因为SiC、GaN等宽禁带半导体材料在军事领域含有巨大应用潜力，很多国家都开展了相关材料与器件研究： 美国军方十分重视SiC、GaN器件，美国国防部高级研究计划局(DARPA)、ONR、空军研究试验室(AFRL)、美国弹道导弹防御组织(

5、BMDO)等部门一直把GaN微波功率器件作为重点支持领域。 在美国军方支持下，CREE企业于已将GaN HEMT器件与相关外延材料用航天飞机运载到空间站并将它们安置在空间站舱外，进行轨道运行试验，方便真实地评定器件可靠性和抗辐照能力。 为了深入推进宽禁带半导体器件发展，美国国防部在开启宽禁带半导体技术创新计划(WBSTI)，重点处理材料质量和器件制造技术问题，促进这类器件工程化应用进展。一、引言 宽禁带紫外光电探测器剖析第7页 相比之下，我国对宽禁带半导体材料与器件研究起步晚，而且研究单位较少，存在生长设备落后、投入不足、缺乏高质量大尺寸衬底、外延生长技术不成熟等问题，进展较慢，还处于初步阶段

6、。 即使军事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性紫外探测器，但当前所研制宽禁带半导体紫外探测器还未到达商品化程度。 紫外探测器性能受到多方面原因影响，要制备性能优越紫外探测器，能够从以下几个问题入手：1）宽禁带半导体材料生长技术；2）宽禁带半导体紫外探测器关键工艺技术；3）探测器结构设计与优化。一、引言 宽禁带紫外光电探测器剖析第8页 紫外探测器主要参数包含暗电流、光电流、响应度、量子效率和响应时间等。 1、紫外探测器性能参数 二、宽禁带半导体紫外探测器概述宽禁带紫外光电探测器剖析第9页 (1) 光谱响应特征 二、宽禁带半导体紫外探测器概述 当不一样波长光照射探测器时，只有能量满足一定条件光子

7、才能激发出光生载流子从而产生光生电流。 对于半导体材料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，即对应于本征吸收光谱，探测器对光响应在长波方面存在一个波长界限0，依据发生本征吸收条件可得到本征吸收长波限公式为宽禁带紫外光电探测器剖析第10页 (1) 光谱响应特征 二、宽禁带半导体紫外探测器概述 依据半导体材料禁带宽度，能够算出对应本征吸收长波限。 对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器长波限0365nm。 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限0380nm 。 从计算结果能够看出，GaN、4H-SiC材料本征吸收长波限都在紫外区。宽禁带紫外光电探测器剖析第

8、11页 (2) 响应度 二、宽禁带半导体紫外探测器概述 光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力一个参数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产生平均光电流之比，单位为A/W。由上式可知，R与成正比，所以短波长探测器响应度比起长波长探测器来说响应度较小。假设=1，则当波长为365nm时，响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。 宽禁带紫外光电探测器剖析第12页二、宽禁带半导体紫外探测器概述 (3) 量子效率 量子效率分为内量子效率和外量子效率： 内量子效率定义为入射至器件中每一个光子所产生电子-空穴对数目，即 在实际应用中，入射光一部分

9、在器件表面被反射掉，在有源层中被吸收部分大小又取决于材料吸收系数和厚度，所以实际上只是部分Popt能被器件有效地吸收而转化为光电流。定义外量子效率为宽禁带紫外光电探测器剖析第13页 宽禁带半导体材料含有卓越物理化学特征和潜在技术优势，用它们制作器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面含有比Si、GaAs等器件优越得多工作特征，使得它们在军用、民用领域有更加好发展前景，一直受到半导体业界人士关注。 不过因为工艺技术上问题，尤其是材料生长和晶片加工难题，进展一直十分迟缓。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术突破，使得宽禁带半导体器件研制和应用得到快速发展。

10、 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等主要领域显示出比硅和GaAs更优异特征，并开始取得非常引人注目标进展。二、宽禁带半导体紫外探测器概述 2、宽禁带半导体紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第14页 SiC热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si高很多，与Si相比更适合于制造紫外光探测器。 用SiC制作紫外光探测器对可见光和红外光不敏感，这对于在可见光和红外光背景中探测紫外辐射是非常主要。 但因为SiC含有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (1) SiC紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第1

11、5页 GaN禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。 GaN还含有高辐射电阻、易制成欧姆接触和异质结结构，这对制造复杂结构器件非常主要。 三元合金AlxGa1-xN禁带宽度随Al组分改变能够从GaN(x0)3.4eV连续改变到AlN(x=1)6.2eV，所以理论上讲利用这种材料研制紫外探测器截止波长能够连续地从365nm改变到200nm，是制作紫外探测器理想材料之一。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (2) GaN基紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第16页 ZnO是一个新型-族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.

12、37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，含有相近晶格常数和Eg，且ZnO含有更高熔点和激子束缚能以及良好机电耦合性和较低电子诱生缺点。 另外，ZnO薄膜外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提升薄膜质量，也易于实现掺杂。 ZnO薄膜所含有这些优异特征，使其在紫外光探测、表面声波器件、太阳能电池、可变电阻等很多领域得到了广泛应用。 ZnO薄膜传感器含有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好、原料低廉易得等优点。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (3) ZnO基紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第17页 金刚石是禁带宽度为5.45eV宽带隙半导体材料，含有高载流子

13、迁移率、高击穿电压、高热导率、高掺杂性和化学惰性，是非常适合于制备探测器件材料。 因为金刚石膜禁带宽度比GaN大，在短于230nm紫外光部分，金刚石膜探测器有很大光谱响应，且含有很强可见光盲性，它光生电流比Si探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比Si强。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (4) 金刚石紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第18页二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 2、宽禁带半导体紫外探测器结构 依据基本工作方式不一样，宽禁带半导体紫外探测器能够分为光电导探测器（无结器件）和光生伏特探测器（结型器件），其中光生伏特探测器又分为肖特基势垒型、金属-半导体-金属（MSM）型、pn结型、pi

14、n结型等。 宽禁带紫外光电探测器剖析第19页几个不一样类型宽禁带半导体紫外探测器结构示意图二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 2、宽禁带半导体紫外探测器结构 宽禁带紫外光电探测器剖析第20页 光电导探测器，简称PC探测器，是利用光电导效应制作光探测器。 一块半导体体材料和两个欧姆接触即可组成光导型结构紫外探测器。 光导型紫外探测器含有结构简单、工艺轻易和内部增益高等优点，但不足之处是响应速度慢、暗电流大。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (1) 光导型紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第21页 实际上就是一个肖特基势垒二极管，可集高响应度与低暗电流于一身，含有响应时间短、量子效率高、势垒高度高、回

15、避p型等优点。 但它存在一些问题：1）因为光照射半导体时必须经过金属电极入射或者经过透明衬底后面入射，因而入射光会受到较大损失。不过因为大多数半导体在紫外波段都吸收很厉害，吸收系数普通较大，所以使用良好抗反射层，使大部分光吸收在表面结附近是完全能够实现；2）金属-半导体接触所形成结比较浅，主要在半导体表面附近；3）肖特基结构受表面态影响严重，表面态由很多深能级组成，可加剧光生电子-空穴正确复合，从而降低器件量子效率。要消除表面态是非常困难，这在一定程度上制约了肖特基结构器件发展。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (2) 肖特基势垒紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第22页 1985年德国半导体

16、电子研究所率先创造了横向结构叉指状电极肖特基光电二极管(MSM-PD)，改进了传统光电二极管性能。二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (3) MSM型紫外探测器 此结构是用平面线型叉指电极和半导体材料形成“背靠背”双肖特基势垒。当 在电极上加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒则反向偏置，所以暗电流极小，几乎比同种材料光电导探测器暗电流小3-5个数量级。 MSM型光伏探测器不需要进行p型掺杂，含有响应度高、速度快、随偏压改变小、制备工艺简单、造价低、易于单片集成等优点，得到人们普遍关注。宽禁带紫外光电探测器剖析第23页 pn结光伏型探测器是将结区做成一个pn结，当适当频率光照射探测器有源

17、区时，光生载流子在内建电场作用下在外电路形成光电流； 它在普通光伏工作模式下没有内增益，当pn结正偏时导通，其暗电流远远大于光生电流，而反偏时，只有很小暗电流，所以，探测器经常工作在反偏状态； 普通p区和n区厚度远大于结区，所以电流主要由扩散电流决定，而且主要取决于表层吸收产生载流子，所以在很大程度上降低了探测器响应时间。 二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (4) pn结型紫外探测器 宽禁带紫外光电探测器剖析第24页 二、宽禁带半导体紫外探测器介绍 (5) pin结型紫外探测器 为有效地提升器件灵敏度和响应速度，能够在p层和n层之间夹入一层本征 i层，以增加耗尽层宽度。 为使pin器件含有高响应

18、速度，结构设计应尽可能使光在耗尽区吸收，p层厚度要较小。 普通pin光电二级管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光电二极管模式），使光生电流和暗电流差异最大，从而使灵敏度提升。 在不是太高偏压下，随反向偏压增加，不但响应率提升，而且响应速度也提升，这是因为随偏压增加，耗尽区加宽，降低了结电容，因而有较小RC时间常数。宽禁带紫外光电探测器剖析第25页三、紫外探测器应用 宽禁带紫外光电探测器剖析第26页 宽禁带半导体紫外探测技术与传统红外及其它光电探测方式相比含有不可比拟技术优势，主要表现在： 在紫外区，由空间造成紫外背景辐射较少，同时因为中紫外区位于太阳盲区，系统避开了最大自然光源，信号检测难

19、度下降，虚警率下降，从而对发动机、导弹、等离子体辐射等产生紫外辐射能作出准确判断； 紫外探测含有极低误报率； 紫外探测属于无源被动探测，不辐射电磁波，隐蔽性好，从而含有较高军事价值； 紫外探测技术使系统结构大为简化，不制冷，不扫描，重量减轻，体积减小。三、紫外探测器应用 宽禁带紫外光电探测器剖析第27页三、紫外探测器应用 紫外探测器在军事和民用方面都有很高应用价值： 军事上，紫外探测技术可用于紫外告警、紫外通讯、紫外制导、紫外干扰等领域。 【1991年海湾战争、1999年科索沃危机，大量高技术武器装备在战场上广泛应用及其所取得惊人作战效果给我们以启迪：未来高技术战争是电子战发挥巨大作用战争。没

20、有“制电磁权”，就极难有“制天权”、“制空权”、“制海权”、“制陆权”，没有“电磁优势”，极难有“钢铁优势”。】宽禁带紫外光电探测器剖析第28页三、紫外探测器应用 紫外线作为光电电子战威胁频段之一，其技术军事应用主要有以下几个方面： 紫外制导 尽管红外制导是当前导弹主流制导方式， 但伴随红外反抗技术日趋成熟，红外制导导弹功效受到了严重地威胁。 为了反红外反抗技术，制导技术正在向双色制导方面发展，这其中也包含红外-紫外双色制导方式。 在受到敌方红外干扰时，仍可使用紫外探测器探测目标紫外辐射，并把导弹导引至目标进行攻击。 据报道，美国及北约盟军陆海军在1989 年装备使用尾刺(Stinger Pe

21、st) 对空导弹中就采取了这种红外-紫外双色制导技术。宽禁带紫外光电探测器剖析第29页三、紫外探测器应用 紫外预警 紫外线为对付导弹威胁, 导弹入侵报警器是必要装备。 当前导弹入侵报警方式主要有依赖雷达工作主动式报警和包含红外、激光和紫外线告警为主被动式报警。 紫外预警是依据紫外探测器对导弹等飞行目标尾焰中紫外辐射灵敏特征，对短程空-空导弹及地-空导弹，尤其是对雷达告警所不能探测紫外制导导弹进行近距离预警，保护直升机、运输机等慢速平台免遭其它导弹攻击。 国外已研制成功了各种紫外线报警器。美国洛拉尔企业在1988 年就为美国海军C-1305 直升机和P-3S 运输机研制成功了世界上第一台紫外报警器AAR-47，很快就有上千套分别装备于美、英、加、澳等国飞机。 美国西屋企业在美国海军资