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

周 梅，李春燕， 赵德刚

(1.中国农业大学理学院应用物理系，北京 100083;2.中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083)

1 引 言

氮化镓(GaN)及其系列材料(包括GaN、InN、AlN及合金)被称为第三代半导体，在光电子学和微电子学领域都有着重要的应用价值。GaN基紫外探测器是一种很重要的光电子器件，具有可见光盲(甚至是日盲)、量子效率高、零偏压工作、耐高温、抗腐蚀等优点，在导弹跟踪、大气监测、火情告警等领域有广泛的应用前景。经过多年的努力，人们先后研制出多种结构的GaN基紫外探测器单元器件和紫外焦平面阵列，并且已经实现成像［1-9］。其中p-i-n结构是最常用的探测器结构，也是理论上最理想的器件结构［10］。p-i-n结构根据入射光的方式又可以分为两种:背照射和正照射。其中背照射由于采用倒装焊工艺很容易和读出电路互连，是实现大规模探测器面阵的必要选择［3，8］;而正照射结构材料生长简单，适合制作单元器件。目前很多研究工作都集中在材料生长和器件工艺，其实器件结构的设计非常重要，合理的结构参数能在一定材料质量的基础上使器件性能达到最优。

本文主要研究了i-GaN和p-GaN厚度对p-in结构GaN紫外探测器光谱响应的影响，并比较了背照射和正照射的区别，提出了设计方案。研究发现，对于背照射结构，适当地减小i层厚度有利于提高探测器的响应，适当地增加p-GaN厚度可以改善探测器性能。正照射结构则不同，i层厚度对探测器的响应度影响不大，但是较差的欧姆接触特性将严重降低探测器的响应，适当地减小p-GaN厚度可以大幅度改善探测器的响应特性。进一步分析表明，能带结构的差别导致了正照射和背照射器件结构中i层和p层厚度的选择不同。

2 模拟计算所采用的器件结构示意图及参数

图1(a)是用于本文模拟的背照射p-i-n结构GaN紫外探测器结构示意图，包括n+-AlGaN层、i-GaN层(弱n型)和p-GaN层，入射光从衬底背面照射。为了简化计算过程，n+-AlGaN窗口层采用透过率为70%的n欧姆电极取代。图1(b)是正照射p-i-n结构GaN紫外探测器示意图，包括p-GaN层、i-GaN层(弱n型)和n+-GaN层，入射光从p-GaN层面照射。在模拟计算中，i-GaN层的载流子浓度固定为5×1016cm-3(在本文的大部分情况下，i-GaN层的载流子浓度为该值)，n+-GaN层的载流子浓度固定为5×1018cm-3，p-GaN层的载流子浓度固定为5×1017cm-3。我们采用美国宾州大学提供的AMPS软件(Analysis of microelectronic and photonic structures)对器件性能进行模拟计算，该软件通过求解泊松方程和连续性方程，能够对半导体器件的特性进行准确分析，也是半导体光伏特性分析的有力工具［11-12］。

图1 本文模拟计算的GaN基p-i-n探测器结构示意图。(a)背照射;(b)正照射。Fig.1 Schematic diagram of p-i-n GaN photodetectors in this work.(a)Back-illuminated structure.(b)Front-illuminated structure.

3 结果与讨论

本文通过模拟计算，首先研究了背照射结构中i-GaN层、p-GaN层厚度对p-i-n探测器量子效率的影响，然后研究正照射结构中i-GaN层、p-GaN层厚度对p-i-n探测器量子效率的影响，通过能带结构的计算，分析了相关的物理机制，提出了设计方案。

3.1 背照射结构

我们先研究了p-GaN欧姆接触很好情况下的规律。图2是p-i-n结构中i-GaN层不同厚度时背照射探测器的响应光谱，这里i-GaN层厚度分别为200，400，600 nm，p-GaN 层的厚度和载流子浓度分别为200 nm、5×1017cm-3。可以看出，3个响应光谱差别很大，以入射光波长为340 nm处为例，i层厚度为200，400，600 nm时，对应的量子效率分别为 0.65，0.51，0.34。随着 i层厚度的增加，探测器的量子效率显著降低，响应变差;而且随着入射光波长的进一步变短，这种差别越来越大。总之，i-GaN层厚度适度减薄时，量子效率会得到显著提高。

图2 在欧姆接触很好的情况下，i-GaN层厚度为200，400，600 nm时对应的背照射探测器响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.2 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

为了揭示i-GaN层厚度对探测器性能影响的物理机制，我们计算并研究了其能带结构。图3是背照射探测器中p-GaN层和i-GaN层的导带结构，在图中虚线的左侧是i层，右侧是p层，入射光从左侧进入。可以看出，当i-GaN层厚度为200 nm时，整个i层基本上完全耗尽，入射光子产生的电子空穴都处于耗尽区，很容易被强大的内建电场所分离。这样光电流会很大，量子效率很高。当i-GaN层厚度为400 nm时，只有靠近p区250 nm厚的i-GaN完全耗尽，靠近表面150 nm厚的i-GaN没有耗尽。当入射光从背面照射到器件时，入射光首先被i层吸收，而且更多的光子被靠近表面的i层吸收。由于光生电子空穴对很多并不在耗尽区，所以很多光生载流子并不能形成光电流，探测器的量子效率较低。当入射光波长变短时，由于吸收系数更大，所以透入深度更浅，更多的光生载流子不能形成光电流，探测器的量子效率将更低。当i-GaN层厚度为600 nm时，只有靠近p区250 nm厚的i-GaN完全耗尽，靠近表面的350 nm厚的i-GaN没有耗尽。也就是说，大部分i-GaN层都没有耗尽，尤其是靠近表面的i区。

这样入射光大部分都被靠近表面的i-GaN所吸收，但是这部分吸收产生的电子空穴对并不能被电场所分开，也就不能形成光电流，探测器的量子效率会很低。当入射光的波长变短时，探测器的量子效率将更低。所以，当i-GaN层厚度增加时，由于靠近表面的i-GaN层没有耗尽，从而不能形成光电流，所以探测器的量子效率降低，光谱响应变差。要提高背照射p-i-n结构探测器的响应，必须适当地减少i-GaN层厚度。

图3 在欧姆接触很好的情况下，i-GaN层厚度分别为200，400，600 nm时的背照射探测器导带结构图(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.3 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

图4 i-GaN层的载流子浓度为1×1016cm-3时，i-GaN层厚度为200，400，600 nm时对应的背照射探测器响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.4 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors when the i-GaN electron concentration is 1×1016cm-3，where the i-GaN thickness are 200，400，and 600 nm，respectively.

图5 i-GaN层的载流子浓度为1×1016cm-3时，i-GaN层厚度为200，400，600 nm时对应的背照射探测器导带结构图(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.5 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors when the i-GaN electron concentration is 1×1016cm-3，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

从图3的结果分析来看，i-GaN层厚度为400 nm和600 nm时，由于没有完全耗尽，导致探测器的量子效率很低;如果i层的本底载流子浓度降低到一定程度，耗尽区就会扩展，有可能会增加器件的量子效率。我们也计算了当i-GaN层的载流子浓度为1×1016cm-3时，i层厚度对探测器的影响。图4是当i-GaN层的载流子浓度为1×1016cm-3时，i层厚度为 200，400，600 nm 时的探测器响应光谱。可以看出，虽然此时200 nm时器件量子效率最高、响应最强，但是三者差别已经非常小。另外，与图2的结果相比较，i层厚度为400 nm和600 nm时的探测器量子效率已经急剧增大。图5所示为当i-GaN层的载流子浓度为1×1016cm-3时，i层厚度为 200，400，600 nm 时的探测器的导带结构图。可以看出，此时i层都处于全部耗尽状态，大部分光生载流子都处于电场区，都能被电场分离而形成光电流，所以量子效率都很高;只是i层厚度为200 nm时电场强度更大，电子空穴对的分离效果更好，所以量子效率更高。由此可见，降低i-GaN层的本底载流子浓度对于提高背照射结构探测器的响应非常重要。

本文还研究了欧姆接触特性对背照射p-i-n紫外探测器响应光谱的影响。图6是p-GaN层欧姆接触很好和很差的情况下探测器的响应光谱，这里p-GaN层的厚度、浓度分别为200 nm、5×1017cm-3，i-GaN层厚度为200 nm。欧姆接触的好坏由其接触势垒决定，好的时候接触势垒几乎为0，很差情况下的接触势垒设定为0.5 eV。可以看出，欧姆接触好坏对探测器的响应光谱影响不是很大。欧姆接触好时，探测器的响应略好，良好的欧姆接触特性确实可以改善器件性能。我们还研究了欧姆接触很差的情况下，p-GaN层厚度对背照射探测器响应光谱的影响(图7)。可以看出，p-GaN层厚度为50 nm和200 nm时的响应光谱差别也不是很大，但是探测器的量子效率在p-GaN层厚度为200 nm时略高一些。适当增加p-GaN层厚度可以改善探测器性能。

图6 不同欧姆接触特性时背照射探测器的响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3、厚度200 nm，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.6 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with different contact properties

图7 欧姆接触特性不好的情况下，p-GaN层厚度分别为50 nm和200 nm时对应的背照射探测器响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.7 Spectral response of back-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50 and 200 nm，respectively.

图8是欧姆接触不好的情况下，p-GaN层厚度分别为50 nm和200 nm时的探测器的p-i两层的导带结构，图中虚线左侧是i-GaN层，右侧是p-GaN层。可以看出，两种情况下的i-GaN层都全部耗尽。由于欧姆接触特性很差，p-GaN层表面都形成了肖特基结。表面p-GaN与金属形成的肖特基内建电场与i-GaN层内建电场的方向刚好相反［9］，这样入射光在这两个耗尽区形成的光电流相反，会有抵消的作用，但是由于大部分入射光都被i-GaN层吸收，真正被p-GaN表面肖特基结吸收的非常少，这种抵消作用不明显，所以欧姆接触对背照射p-i-n探测器的光谱响应影响不是很大。当然，如果p-GaN层厚度薄一点，表面肖特基结吸收的入射光还是会多一些，抵消作用会增强，从而降低器件响应。适当增加p-GaN层厚度还是会改善探测器的光谱响应。

图8 在欧姆接触特性不好的情况下，p-GaN层厚度分别为50 nm和200 nm时对应的背照射探测器导带结构图(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.8 Conduction band of back-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50 and 200 nm，respectively.

我们可以得出如下结论:适当减小i-GaN层厚度、增加p-GaN层厚度可以提高背照射p-i-n探测器的光谱响应，p-GaN层欧姆接触特性对器件响应影响不是很大。

3.2 正照射结构

我们还研究了欧姆接触很好的情况下，i-GaN层和p-GaN层厚度对正照射p-i-n结构探测器响应光谱的影响。图9为正照射GaN基p-i-n结构紫外探测器的响应光谱特性，其i-GaN层厚度固定为200 nm，p-GaN层的厚度分别为200，400，600 nm。可以看出，i层厚度对探测器的量子效率影响不大，只是在带边附近(361 nm左右)有点影响。在361 nm处，i-GaN层厚度为200，400，600 nm时对应的探测器量子效率分别为0.49，0.51，0.53。随着 i-GaN 层厚度的增加，探测器的光谱响应增强。适当地增加i-GaN层厚度有利于长波处的响应。与图2相比，我们注意到正照射比背照射结构的探测器的量子效率更低。这主要是背照射结构中，n-AlGaN层是窗口层，入射光能够透过这一层而充分地被i-GaN层吸收，从而能产生较强的光电流;而正照射时，大量的入射光都被p-GaN层吸收，很多光生载流子不能扩散到电场区而形成光电流，所以正照射的探测器量子效率相对较低。当然，实际的背照射结构探测器材料生长十分困难，正照射结构材料生长相对简单，所以在单元器件研制过程中往往采用正照射结构。

图9 在欧姆接触很好的情况下，i-GaN层厚度为200，400，600 nm时对应的正照射探测器响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，厚度200 nm)。Fig.9 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with good Ohmic contact properties，where the i-GaN thickness is 200，400，and 600 nm，respectively.

我们进一步研究了p-GaN欧姆接触特性对正照射p-i-n探测器的光谱响应的影响。图10所示为在p-GaN欧姆接触很好和很差的情况下，模拟计算得出的p-i-n探测器响应光谱曲线。这里欧姆接触好时的接触势垒几乎为0，很差情况下设定为0.5 eV。可以看出，欧姆接触特性对探测器性能影响很大，在欧姆接触特性好的情况下，器件响应明显增强。在短波处，欧姆接触特性对器件的响应影响更大，以250 nm波长为例，欧姆接触特性好和差时，探测器的量子效率分别为0.26和0.08，显然，改善欧姆接触特性对于正照射p-in探测器非常重要。然而，做好p-GaN的欧姆接触需要解决一系列材料和工艺问题，如果欧姆接触特性不能改善，选择合适的p-GaN层厚度也可以提高探测器性能。图11所示为p-GaN厚度分别为50，100，200 nm时探测器的响应光谱。随着p-GaN层厚度的增加，探测器的量子效率明显下降。以入射光波长为250 nm为例，p-GaN层厚度为50，100，200 nm时，对应的探测器量子效率分别为 0.36，0.19，0.08。随着 p-GaN 层厚度的减少，探测器的响应显著增强。

图10 不同欧姆接触特性时的正照射探测器的响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3、厚度200 nm，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.10 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with different contact properties

图11 在欧姆接触特性不好的情况下，p-GaN层厚度分别为50，100，200 nm时对应的背照射探测器响应光谱(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.11 Spectral response of front-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50，100，and 200 nm，respectively.

图12为欧姆接触不好的情况下，p-GaN层厚度为50 nm和200 nm时的p-i层导带结构，图中虚线的左侧为p-GaN层，右侧为i-GaN层。可以看出，由于欧姆接触特性差，p-GaN与金属形成了肖特基接触，这个肖特基结形成的内建电场方向与i-GaN层的内建电场方向相反。入射光从p-GaN层照射，p-GaN层吸收了很多入射光，表面的肖特基结会形成较强的光电流，将抵消一部分i-GaN层产生的光电流，所以欧姆接触不好对探测器的光谱响应影响很大。如果减少p-GaN的厚度，更多的入射光就能被i-GaN所吸收，那么i-GaN层产生的光电流就会大大增强，表面p-GaN肖特基结形成的光电流的抵消作用就会相对减弱很多，所以适当减少p-GaN层厚度能显著提高探测器的光谱响应。

我们可以得出如下结论:适当增加i-GaN层厚度、减小p-GaN层厚度可以提高正照射p-i-n探测器的光谱响应，欧姆接触特性对器件响应影响很大，改善p-GaN的欧姆接触特性非常重要。

图12 在欧姆接触特性不好的情况下，p-GaN层厚度分别为50 nm和200 nm时对应的正照射探测器导带结构图(p-GaN层载流子浓度5×1017cm-3，i-GaN层厚度200 nm)。Fig.12 Conduction band of front-illuminated GaN photodetectors with poor Ohmic contact properties，where the p-GaN thickness is 50，100，and 200 nm，respectively.

3.3 背照射和正照射结构的比较

从上述研究结果发现，背照射和正照射p-i-n结构紫外探测器的i-GaN和p-GaN层厚度的要求正好相反:背照射结构希望减小i层厚度、增加p层厚度，p层欧姆接触特性对背照射探测器的响应影响不大;而正照射结构则希望增加i层厚度、减小p层厚度，p层欧姆接触特性对正照射探测器的响应影响很大。这主要是由于能带结构的不同，导致耗尽区的分布不同;而入射光的方向也直接影响了吸收特性，最后导致了两者的巨大差别。对于背照射结构来说，耗尽区主要集中在靠近p区的i-GaN层，入射光从i区进入，这样必须减薄i-GaN层，大量的光子才能被电场区的i-GaN层所充分吸收。另外，大量的入射光被i层吸收，那么p-GaN欧姆接触特性对器件的影响就不大，如果进一步增加p-GaN层厚度，其影响将会更小。对于正照射结构来说，虽然耗尽区也主要集中在靠近p区的i-GaN层，但是大量的入射光子被表面的p-GaN层吸收，真正被i-GaN吸收的光子数减少，所以增加i-GaN层、减小p-GaN层厚度能增强光子的吸收，从而增强光电流。另外，如果p-GaN欧姆接触特性不好，表面形成的肖特基结电场与i-GaN层内建电场方向相反，会抵消光电流，所以欧姆接触好坏非常关键。正是因为能带结构和入射光吸收的差别，我们在制备器件时，要根据要求对正照射和背照射探测器进行正确的i层和p层厚度选择与设计。

4 结 论

研究了i-GaN层和p-GaN层厚度对背照射和正照射p-i-n结构GaN紫外探测器响应光谱的影响，并提出了设计方案。模拟计算发现:对于背照射结构，适当地减小i-GaN层厚度有利于提高探测器的响应;p-GaN的欧姆接触特性好坏对探测器的响应影响不大，适当地增加p-GaN层厚度可以改善探测器的性能。而正照射结构则不同，i-GaN层厚度对探测器的响应影响不大，但是欧姆接触特性差将严重降低探测器的响应，适当地减小p-GaN厚度可以大幅度改善探测器的响应特性。能带结构和入射光吸收的差别导致正照射和背照射器件结构中i层和p层厚度的选择不同。

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