宽禁带紫外光电探测器

LOGO宽禁带半导体紫外探测器LOGO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的应用三LOGO◆第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件的特性及使用存在很大局限性，满足不了目前军事系统的要求。◆第三代宽带隙半导体材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金刚石等，同第一、二代电子材料相比，具有禁带宽度大、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的电子器件；而利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。一、引言LOGO表1Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比材料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/cm•K)1.400.544.9201.5-电子迁移率(cm2/V•s)1350800010002200900-介电常数11.913.189.75.58.9-饱和速率(cm/s)1×1072×1072×1072.7×1072.5×107-一、引言LOGO◆在紫外探测器方面，目前已投入商业和军事应用的比较常见的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，而且体积笨重、易损坏，对于实际应用有一定的局限性。硅基紫外光电管需要附带滤光片，这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。◆在过去十几年中，为了避免使用昂贵的滤光器，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的SiC、GaN为代表的宽带隙半导体紫外探测器引起世界各国重视。一、引言LOGO◆宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的器件在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。◆但是由于工艺技术上的问题，特别是材料生长和晶片加工的难题，进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破，使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。◆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器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性，并开始取得非常引人注目的进展。一、引言LOGO由于SiC、GaN等宽禁带半导体材料在军事领域具有巨大的应用潜力，很多国家都开展了相关材料与器件的研究：◆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、空军研究实验室(AFRL)、美国弹道导弹防御组织(BMDO)等部门一直把GaN微波功率器件作为重点支持的领域。◆在美国军方的支持下，CREE公司于2001年已将GaNHEMT器件与相关的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的舱外，进行轨道运行试验，以便真实地评估器件的可靠性和抗辐照能力。◆为了进一步推进宽禁带半导体器件的发展，美国国防部在2001年启动宽禁带半导体技术创新计划(WBSTI)，重点解决材料质量和器件制造技术问题，促进此类器件工程化应用的进展。一、引言LOGO◆相比之下，我国对宽禁带半导体材料与器件的研究起步晚，而且研究单位较少，存在生长设备落后、投入不足、缺少高质量大尺寸的衬底、外延生长技术不成熟等问题，进展较慢，还处在初步阶段。◆虽然军事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探测器，但目前所研制的宽禁带半导体紫外探测器还未达到商品化的程度。◆紫外探测器的性能受到多方面因素的影响，要制备性能优越的紫外探测器，可以从以下几个问题入手：1）宽禁带半导体材料的生长技术；2）宽禁带半导体紫外探测器的关键工艺技术；3）探测器结构的设计与优化。一、引言LOGO紫外探测器的主要参数包括暗电流、光电流、响应度、量子效率和响应时间等。1、紫外探测器的性能参数二、宽禁带半导体紫外探测器概述LOGO(1)光谱响应特性二、宽禁带半导体紫外探测器概述◆当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的光子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，探测器对光的响应在长波方面存在一个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件0gEhh0可得到本征吸收长波限的公式为)()(24.10meVEEhcggLOGO(1)光谱响应特性二、宽禁带半导体紫外探测器概述根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收长波限。★对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器的长波限λ0≈365nm。★对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm。从计算结果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收长波限都在紫外区。0LOGO(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的一个参数。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的平均光电流之比，单位为A/W。024.1)(mhqPIRoptph由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长波长的探测器来说响应度较小。假设η=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。LOGO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的每一个光子所产生的电子-空穴对数目，即入射的光子数空穴对个数产生的电子i◆在实际应用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源层中被吸收部分的大小又取决于材料的吸收系数和厚度，所以实际上只是部分的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)1()1()1()()()(0WdfidfeeReRLOGO◆宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面具有比Si、GaAs等器件优越得多的工作特性，使得它们在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。◆但是由于工艺技术上的问题，特别是材料生长和晶片加工的难题，进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破，使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。◆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器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性，并开始取得非常引人注目的进展。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LOGO◆SiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si的高很多，与Si相比更适合于制造紫外光探测器。◆用SiC制作的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重要的。◆但由于SiC具有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(1)SiC紫外探测器LOGO◆GaN的禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。◆GaN还具有高的辐射电阻、易制成欧姆接触和异质结结构，这对制造复杂结构的器件非常重要。◆三元合金AlxGa1-xN的禁带宽度随Al组分的变化可以从GaN(x＝0)的3.4eV连续变化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理论上讲利用这种材料研制的紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm，是制作紫外探测器的理想材料之一。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(2)GaN基紫外探测器LOGO◆ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，具有相近的晶格常数和Eg，且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。◆此外，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。◆ZnO薄膜所具有的这些优异特性，使其在紫外光探测、表面声波器件、太阳能电池、可变电阻等诸多领域得到了广泛应用。◆ZnO薄膜传感器具有响应速度快、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简介(3)ZnO基紫外探测器LOGO◆金刚石是禁带宽度为5.45eV的宽带隙半导体材料，具有高的载流子迁移率、高的击穿电压、高的热导率、高掺杂性和化学惰性，是非常适合于制备探测器件的材料。◆由于金刚石膜的禁带宽度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金刚石膜探测器有很大的光谱响应，且具有很强的可见光盲性，它的光生电流比Si探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比Si的强。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(4)金刚石紫外探测器LOGO二、宽禁带半导体紫外探测器简介2、宽禁带半导体紫外探测器的结构根据基本工作方式的不同，宽禁带半导体紫外探测器可以分为光电导探测器（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、pin结型等。LOGO几种不同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简介2、宽禁带半导体紫外探测器的结构LOGO◆光电导探测器，简称PC探测器，是利用光电导效应制作的光探测器。◆一块半导体体材料和两个欧姆接触即可构成光导型结构的紫外探测器。◆光导型紫外探测器具有结构简单、工艺容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简介(1)光导型紫外探测器LOGO◆实际上就是一个肖特基势垒二极管，可集高的响应度与低的暗电流于一身，具有响应时间短、量子效率高、势垒高度高、回避p型等优点。◆但它存在一些问题：1）由于光照射半导体时必须通过金属电极入射或者通过透明的衬底背面入射，因而入射光会受到较大损失。但是因为大多数半导体在紫外波段都吸收很厉害，吸收系数一般较大，所以使用良好的抗反射层，使大部分光吸收在表面结附近是完全可以实现的；2）金属-半导体接触所形成的结比较浅，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-空穴对的复合，从而降低器件的量子效率。要消除表面态是非常困难的，这在一定程度上制约了肖特基结构器件的发展。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(2)肖特基势垒紫外探测器LOGO◆1985年德国半导体电子研究所率先发明了横向结构叉指状电极的肖特基光电二极管(MSM-PD)，改善了传统光电二极管的性能。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(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”的双肖特基势垒。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，因此暗电流极小，几乎比同种材料的光电导探测器的暗电流小3-5个数量级。◆MSM型光伏探测器不需要进行p型掺杂，具有响应度高、速度快、随偏压变化小、制备工艺简单、造价低、易于单片集成等优点，得到人们的普遍关注。LOGO◆pn结光伏型探测器是将结区做成一个pn结，当适当频率的光照射探测器的有源区时，光生载流子在内建电场的作用下在外电路形成光电流；◆它在一般的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，只有很小的暗电流，所以，探测器常常工作在反偏状态；◆一般p区和n区的厚度远大于结区，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的载流子，因此在很大程度上降低了探测器的响应时间。二、宽禁带半导体紫外探测器简介(4)pn结型紫外探测器LOGO二、宽禁带半导体紫外探测器简介(5)pin结型紫外探测器◆为有效地提