AlGaN MSM结构日盲型紫外探测器

杨莲红+张保花+王俊珺+魏伟

摘 要： 采用低压?金属有机化学气相沉积（MOCVD）法在（0001）方向的AlN/蓝宝石模板上生长得到Al组分为40%的AlGaN材料，设计并制作了MSM型AlGaN 日盲紫外探测器。通过HRXRD，SEM，AFM对AlGaN材料进行了表征，结果表明：该材料为六方相结构，且应变程度很小，粗糙度（RMS）为1.32 nm。通过测试器件在230～320 nm之间、在不同偏压下的光谱响应曲线，发现器件的截止波长在285 nm附近，截止边很陡峭；器件的峰值响应波长为275 nm；在7 V偏压下，器件峰值响应度达到最大2.8 mA/W；零偏压下，器件的暗电流1×10?13A，器件的暗电流很小。

关键词：日盲型； 紫外探测器； 金属有机化学气相沉积法； AlGaN； 光谱响应

中图分类号： TN23?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0120?03

AlGaN solar?blind ultraviolet photodetector with MSM structure

YANG Lian?hong， ZHANG Bao?hua， WANG Jun?jun， WEI Wei

（Department of Physics， Changji College， Changji 831100， China）

Abstract： AlGaN material with 40% Al component was grown on AlN/sapphire substrate by low?voltage metal organic chemical vapor deposition （MOCVD） method. The AlGaN solar?blind UV photodetector with MSM structure was designed and fabricated. AlGaN material was characterized by using high resolution X?ray diffraction （HRXRD）， scanning electron microscope （SEM） and atomic force microscopy （AFM）. The results indicates that the material is hexagonal， its strain in the AlGaN is small and roughness （RMS） is 1.32 nm. According to the spectral response curve under various bias， it is found that the cut?off wavelength of the device is near 285 nm. The cut?off edge is very steep. The peak response wavelength is 275 nm. The peak responsivity is 2.8 mA/W at 7 V bias voltage. The dark current of detector is 1×10?13A under zero bias voltage， and very small.

Keywords： solar?blind ultraviolet photodetector； MOCVD method AlGaN； spectral response

0 引 言

进入21世纪，随着科技的快速发展，紫外光福射和测量引起了人们越来越多的关注，紫外探测技术的应用需求也日益增长。在军事领域中，紫外探测技术可用在导弹预警、导弹制导、紫外通信、生化武器辐射的探测等；在民用领域中，紫外探测技术可用于火焰探测、污染检测、电力系统监测、化学生物监测、指纹检测、环境监测等[1?12]。

近年来，随着新型Ⅲ?Ⅴ族半导体GaN基材料的发展，新型的AlGaN基紫外探测器成为研究热点。纤锌矿结构的GaN基三元合金AlxGa1?xN （0 ≤x≤1） 材料是宽禁带的直接带隙半导体材料，其禁带宽度随着材料Al组分的变化可以从GaN的3.4 eV连续变化到AlN的6.2 eV，AlGaN材料制作的紫外探测器的截止波长对应地可以连续从365 nm变化到200 nm，是制作日盲型紫外探测器良好材料之一。制作日盲紫外探测器的AlxGa1-xN材料必须是Al组分x达到40%以上高Al组分AlGaN材料。AlGaN 基材料还具有电子饱和速率高、介电常数小以及耐腐蚀耐高温等优点，可在恶劣环境中工作[13]。因此，AlGaN基材料在紫外探测领域有很高的应用价值。

金属?半导体?金属（MSM）光伏紫外探测器由两个叉指形的背靠背肖特基二极管组成，它不需要进行P型掺杂，结构简单、造价低、易于集成，并且有高灵敏度和高响应度等特点，因此得到了普遍的关注。

1 实 验

实验中三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）和高纯氨气分别作为Ga、Al和N源，高纯氢气作为载气。实验采用商用低压金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备在（0001）方向的AlN/蓝宝石模板衬底上经高温烘烤后再生长AlGaN，生长温度在1 150 ℃，可生长得到Al组分为40%的AlGaN 材料，即Al0.4Ga0.6N，制作了MSM型AlGaN日盲紫外探测器。

采用PANalytical XPert Pro MRD三轴晶衍射仪（HRXRD）对材料的物相及晶体结构进行表征；通过JSM7000F型扫描电子显微镜（SEM）和Nannoscope 3a型原子力显微镜（AFM）表征材料的形貌。通过对紫外探测器电流?电压（I?V）特性及在230～320 nm之间、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏压下的光谱响应曲线的测试，较为详细地分析了器件的性能。

2 表征及结果分析

实验中用以表征的Al0.4Ga0.6N材料层次结构示意图如图1所示。

图1 A1GaN材料层次结构示意图

2.1 HRXRD表征及结果分析

为了显示异质外延系统中的应变与缺陷存在的状态，必须观察倒易格点附近X射线散射强度的分布。为此不仅要观察倒易格点的位置，更关心倒易格点的形状。绘制倒易格点散射强度的分布，以展示倒易格点的形状，即倒易空间图（reciprocal space map，RSM）[14]。

通过HRXRD可以得到衍射晶面非对称面（114）的二维倒易空间图，如图2所示。利用倒易空间图可以分析晶体材料的应变、应力、晶面效应及晶向效应[14]。

图2 二维倒易空间图

根据材料的六方晶系中晶格常数和倒易空间矢量之间的对应关系，可以计算出所生长的材料的晶格常数为：[a=3.155 22]?，[c=5.114 83]?，其晶格常数介于AlN晶格常数和GaN晶格常数之间。

根据材料应变与晶格常数之间的关系，可以得到材料的应变值 [ε33=0.006 417%]，[ε11=-0.173%]。从以上计算结果可以看出材料应变值很小，说明材料的应变程度很小。

2.2 形貌的表征及结果分析

图3给出了样品的SEM图像。从图中可以看出样品表面平整。

图3 SEM表面形貌

进一步使用AFM对样品的表面形貌进行表征，形貌图如图4所示。样品的粗糙度（RMS）为1.32 nm，说明样品的表面很平整。

图4 AFM表面形貌图

3 器件制作及性能分析

3.1 器件制作

AlGaN MSM结构紫外光电探测器结构如图5所示。

图5 器件结构示意图

先在AlGaN外延片样品表面光刻出叉指状电极图形，接着通过电子束蒸发（PVD75型）在图形上蒸发Ni/Au两层金属做电极，电极的厚度为20 nm/80 nm，经过剥离工艺，形成梳状叉指电极。叉指结构如图6所示。电极的宽度为10[μm，]间距为10[μm]和3[μm]，每个探测器件的感光面积为200[μm]×400[μm] 。

图6 叉指电极的结构

3.2 性能测试及结果分析

采用压焊技术将器件的电极引出，测试和分析器件的电流?电压特性和光谱响应特性。

首先采用低噪声直流电源对器件的电流?电压（I?V） 特性进行了测试，图7为AlGaN MSM结构紫外探测器无光照情况下的I?V特性曲线。

图7 器件的I?V特性曲线

通过对器件I?V特性曲线的分析可以看出：器件的I?V特性曲线具有对称性；在零偏压时，其暗电流为1×10-13A，在6 V偏压下暗电流为1×10-12A，器件的暗电流非常小，器件性能稳定、噪音低、检测信号的能力强；随着偏置电压的增加，探测器的暗电流增大。此现象由于镜像力和隧道效应影响使得势垒高度随反偏电压的增加而略微下降造成的[15?17]。

进一步研究器件的光谱响应特性。测试中用氘灯作为光源，结合单色仪、锁相放大器和经校准的标准紫外增强型硅探测器，测试了器件的光谱响应曲线。

图8 器件的光谱响应曲线

测试的器件在230～320 nm之间、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏压下的光谱响应曲线，如图8所示。

测试结果表明：在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏压下，器件的截止波长在285 nm附近，这与理论计算的材料禁带宽度4.3 eV[x=0.4]对应的长波限为288 nm吻合。截止边很陡峭，且随着偏压的升高响应曲线的下降部分越陡峭，表明器件具有良好的波长选择性。器件的峰值响应波长为275 nm，为日盲紫外探测器。在7 V偏压下，器件响应度峰值达到2.8 mA/W。从230～290 nm，在0～7 V偏压下，器件的响应度随着电压增加而增大。但是在10 V偏压下，响应度却相对下降。探测器的光电响应除了体材料的响应，还包含材料缺陷、位错、杂质能级等其他响应，当偏压超过一定数值后，可能激活了材料中的某些缺陷能级，从而导致光生载流子减少，光电响应度有所下降。

4 结 语

本文使用商用低压?金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备在（0001）方向的AlN/蓝宝石模板上生长得到Al组分为40% 的AlGaN材料，制作了MSM型AlGaN日盲紫外探测器。通过高分辨X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜对AlGaN材料进行了表征，材料表面平整，应变程度很小，粗糙度（RMS）为1.32 nm。测试了器件在230～320 nm之间、在2 V，4 V，7 V，10 V不同偏压下的光谱响应曲线，器件的截止波长在285 nm附近，截止边很陡峭。器件的峰值响应波长为275 nm。在7 V偏压下，器件峰值响应度为2.8 mA/W。在零偏压时，器件的暗电流为1×10?13A，在6 V偏压下暗电流为1×10?12A，暗电流非常小。

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