不同钝化结构对非极性AlGaN-MSM紫外探测器性能的提升

贾　辉，梁　征，张玉强，石璐珊

(1.公安海警学院基础部，浙江宁波　315801;　2.宁波科技信息研究院研究中心，浙江宁波　315040)

1　引　言

紫外探测是继红外和激光探测技术之后，又一种在军民两用领域具有广泛应用价值的光电探测技术。在军事方面，紫外探测技术可广泛用于导弹制导系统、紫外通信技术对抗、生化武器分析等领域;在民用方面，紫外探测技术已被用于环境监测、火灾预警、公安侦查以及皮肤病诊断与治疗等领域［1-6］。光电倍增管与硅基紫外光电管［7］是目前比较常用的两种紫外光电探测器，但是二者需要附带昂贵复杂的滤光器而略显笨重，且灵敏度偏低。第三代宽禁带半导体(GaN、ZnO［8］、SiC［9］等)的带隙覆盖紫外范围，制作的紫外探测器不仅可以去掉滤光器而便于携带，利于探测器的大规模集成;而且随着研究的不断深入，晶体质量不断改善，制作高灵敏度、快速响应、低噪声的紫外探测器成为可能。

作为制备紫外探测器的理想材料，GaN基［10］(InN、GaN、AlN及它们的二元、三元合金)半导体材料属于直接宽带隙，其制作的器件具有高内量子效率，室温下只响应能量较高的紫外光子，可以不需要滤光系统进而排除可见光与红外的干扰，辨别并探测到紫外信号。尤其是AlGaN半导体材料随Al含量不断提高，其带隙可以从3.4 eV(对应波长365 nm)连续变化到6.2 eV(对应波长200 nm)，包含了可见盲紫外与日盲紫外光谱。AlGaN半导体材料具有击穿电场高、电子饱和速度大、介电常数小、表面复合率低的特性，及抗腐蚀、耐高温等良好的物理化学特性，可以在高温、宇航等极端环境条件下工作［11］。因此，AlGaN半导体材料极适用于制作紫外探测器［5］，无论是在军事还是民用方面具有广泛的应用前景。

目前关于AlGaN紫外探测器的研究主要集中在极性c-AlGaN半导体材料上，但是极性c-AlGaN基器件存在极强的自发极化和压电极化，这会引起量子限制斯塔克效应而限制内量子效率的提高。非极性AlGaN器件可以消除极化电场，克服电子与空穴波函数空间分离的问题，提高电子-空穴辐射复合效率、减小开启电压、增加发光强度、发光波长稳定(不随注入电流变化而发生移动)。而且非极性AlGaN薄膜面内具有不对称晶面进而存在光学各向异性［12-13］，是制作具有偏振敏感性(Polarization sensitive)紫外探测器的绝佳材料，通过偏振敏感性可以实现窄带探测，从而提高探测器的整体性能。基于偏振信息的探测技术还能提高目标探测和地物识别的准确度，具有重要的应用价值，比如在地物遥感探测、水下探测、目标检测、大气探测、天文探测、医学诊断、图像处理和军事等领域。

近年来，AlGaN半导体材料在紫外探测领域的研究发展迅速，但是制备高质量AlGaN外延薄膜(尤其是高Al组分)依然是制约AlGaN半导体材料在紫外探测领域取得突破的瓶颈。非极性AlGaN材料不仅与衬底之间存在较大的各向异性的热膨胀系数失配和晶格失配，Al原子比Ga原子具有更小的扩散长度和更高的粘附系数，生长外延材料的前体之间也会发生寄生的气相反应;而且非极性材料相对极性AlGaN生长面内吸附原子的迁移长度存在各向异性，即面内沿c方向的生长速率与m方向的生长速率不同等原因，使得非极性AlGaN半导体材料的外延生长相对极性AlGaN半导体材料的外延生长更加困难，故关于在非极性AlGaN外延薄膜上制备偏振敏感性紫外探测器的研究很少。由于大幅提高非极性AlGaN薄膜质量过于困难，本文主要研究在非极性AlGaN薄膜表面分别磁控溅射SiO2纳米颗粒与SiO2钝化层实现对紫外探测器性能的提升。

2　器件制备与表征

2.1　非极性AlGaN-MSM紫外探测器的制备

实验中未掺杂的1μm厚的非极性AlGaN薄膜在r面蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法高温生长。首先，样品表面清理:先用有机溶剂除去表面的脏物，接着用2%的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀30 s去除杂质，然后用高纯去离子水(18 MΩ·cm－1)冲洗数遍，最后用高纯氮气吹干;然后，样品钝化工艺处理:利用磁控溅射在3个相同的清洗好的非极性AlGaN样品依次磁控溅射SiO2，其中第一个为不处理样品(None)，第二个样品磁控溅射SiO2的时间较短形成SiO2纳米颗粒(SiO2-NPs)，第三个样品磁控溅射SiO2的时间较长而形成SiO2钝化层(SiO2-Ls);最后，制作叉指电极:将经过不同钝化处理的非极性AlGaN样品置于电子束蒸发设备中，在样品表面依次蒸发上约30 nm镍与40 nm金，通过湿法化学腐蚀与光刻形成电极，之后在500℃的N2氛围下退火3 min，得到非极性AlGaN-MSM结构的紫外探测器。

2.2　器件的性能及表征

通过扫描电镜(SEM)表征了非极性AlGaN样品与器件的表面形貌，并测定了非极性AlGaN样品的光致发光(PL)谱;使用计算机控制的Keithley 617测试了器件的暗电流特性;并利用光源为150 W的氙灯，经过Si探测器定标后，通过计算机从锁相放大器读数的光谱响应测试系统测量了非极性AlGaN-MSM紫外探测器的光谱响应度，测试偏压为5 V。

图1　非极性AlGaN-MSMSEM图

图2　非极性AlGaN的光致发光光谱，插图为表面形貌。

3　结果与讨论

3.1　样品与器件的基本特性

非极性AlGaN-MSM紫外探测器的结构如图1所示，可以清楚看到叉指电极的形状，没有发生粘连现象;探测器的光照面积较大，指间距与指宽分别为6μm与8μm。图2给出了非极性AlGaN薄膜的光致发光谱，得到非极性AlGaN薄膜的光致发光峰出现在300 nm附近，而且出现了比较严重的带边，这主要是由于非极性AlGaN薄膜的晶体质量不高，含有大量的位错而存在各种缺陷能级导致的。图2插图为非极性AlGaN薄膜的表面形貌的扫描电镜图片(SEM)，表面呈现出条纹状的粗糙表面形貌，也说明了非极性AlGaN的外延质量不高，而且薄膜表面形貌具有一定的取向性。

3.2　探测器的暗电流特性

暗电流是探测器至关重要的一项性能指标，高的暗电流会引起大的噪声而降低探测器的信噪比。经过不同处理的3组非极性AlGaN-MSM紫外探测器在室温下的I-V特性的对比曲线如图3所示，随着偏压从0增加到25 V，器件的暗电流均显著増大;没有经过钝化处理的非极性AlGaNMSM紫外探测器在室温25 V偏压的情况下暗电流高达0.2μA，但是经过钝化处理之后暗电流下降了1～2个数量级，接近nA量级。这比较接近在6.5 V偏压下，截止波长为298 nm的极性AlGaN-MSM探测器的暗电流在nA量级的报道，而与截止波长为250 nm的暗电流已经达到了fA量级［14-15］的国际领先水平相差甚远。钝化处理可以降低探测器的暗电流，从而提高了探测器的这一性能指标。在相同偏压下，通过钝化处理的探测器的暗电流出现了显著的下降，探测器的暗电流受偏压变化的影响也较小;而且SiO2纳米颗粒钝化处理相比SiO2钝化层处理的探测器的暗电流也出现了明显的下降，更为稳定。高密度的位错是GaN基探测器的暗电流的主要来源［16］，非极性AlGaN薄膜的晶体质量较差，存在更髙的缺陷密度，就造成非极性AlGaN-MSM紫外探测器在室温下暗电流偏高，同时电极制备工艺的不成熟也是暗电流较大的一个原因。由于材料表面凹陷处也是位错在非极性AlGaN薄膜表面的终端，根据能量最低原理材料表面缺陷处能量较低，SiO2也就容易在该位置开始成核沉积，从而使感光面上的位错被有效钝化，阻断了位错引起的电场空间分布的改变和载流子的传输通道，进而降低了AlGaN-MSM紫外探测器的暗电流。但是，相对磁控溅射SiO2纳米颗粒，SiO2钝化层磁控的时间较长对非极性AlGaN表面的溅射损伤更大，而且磁控溅射SiO2钝化层会给非极性AlGaN表面带来不可控制的氧化反应，正是表面的氧化反应以及高能离子溅射的损伤，导致材料表面的界面态密度变大，同时漏电通道也相应增加，从而产生更大的表面电流、表面耗尽层或近表面的隧穿电流等［17-18］。这正是磁控溅射SiO2纳米颗粒、磁控溅射SiO2钝化层后的器件暗电流不仅没有降低反而有所增加的原因。

图3　非极性AlGaN-MSM紫外探测器的暗电流曲线

图4　非极性AlGaN-MSM紫外探测器的光谱响应曲线

3.3　探测器的光谱响应

图4给出了5 V偏压下，非极性AlGaN-MSM紫外探测器的光响应度与入射波长(260～360 nm)之间的关系即光谱响应特性。从图4中的光谱响应曲线得到，探测器的光谱响应在300 nm附近出现峰值，对应着非极性AlGaN半导体材料的300 nm光致发光峰。在相同光照的情况下，相对没有钝化处理的探测器在280 nm处的响应峰值仅为0.825μA/W，磁控溅射了SiO2纳米颗粒探测器响应峰值达到0.169 mA/W，而磁控溅射了SiO2钝化层的探测器的响应峰值更是达到了0.566 mA/W，表明经过钝化处理的探测器比未钝化处理探测器的峰值响应提高了约3个数量级。如果用280 nm紫外光的光响应度与350 nm近可见光的光响应度比值作为紫外可见抑制比(Ratio of UV to visible)，则探测器的紫外可见抑制比也由未经过钝化处理探测器的102，增加到经过钝化处理的探测器的105，表现出优良的光选择性。光谱响应表明经过钝化处理的探测器显示出了更高的量子效率和更为优良的光谱选择性。

Herrera等研究指出SiO2纳米颗粒可以提高GaAs电池的量子效率［19］，表明材料表面纹理的散射能提高材料对入射光的吸收。同样在非极性AlGaN-MSM紫外探测器中也存在这种效应，当有入射光照射在探测器表面时，入射到AlGaN薄膜层中的光线会在SiO2纳米颗粒表面发生大量散射，散射出的光线会在介质中其他的SiO2纳米颗粒表面再次发生散射，从而实际上增加了光程长度，更多的入射光被吸收;同时SiO2纳米颗粒还能起到钝化表面而降低表面复合速率的作用，而且钝化也可以减少两电极之间的表面缺陷，使光生载流子在输运过程中由于缺陷复合中心而难以复合而提高量子效率，基于以上原因SiO2纳米颗粒可以在没有影响非极性AlGaN-MSM紫外探测器响应速度的前提下提高探测器得光响应。SiO2钝化层不仅起到钝化的作用，而且SiO2钝化层在非极性AlGaN表面成膜起到了增透的作用［20-21］，使得更多的入射光进入有源吸收区，其效果远优于SiO2纳米颗粒的散射，进而会提高光响应，这是SiO2钝化层提高光响应的一个重要原因。更多的界面态可以产生更强的光电流已经被Carrano等报道［22］，SiO2钝化层在非极性 AlGaN 表面引入了更多的界面态，导致更多的光生电子和空穴被两个电极吸收后提高了光增益，这是SiO2钝化层可以提高光响应的另一个可能原因，具体机制还有待进一步研究。

4　结　论

本文在MOCVD外延生长的非极性AlGaN外延薄膜上通过磁控溅射SiO2纳米颗粒与SiO2钝化层两种工艺制作了AlGaN-MSM紫外探测器，并对器件的性能进行了测试。结果表明钝化处理后的Al-GaN-MSM紫外探测器的性能得到了明显的改善:暗电流下降了1～2个数量级，响应度峰值提升了接近3个数量级，紫外可见抑制比也由102提高到了105，显示出优良的光谱选择性和较高的量子效率。