朱斌 鄧文娟 王壯飛 周甜 吳粵川

（東華理工大學機械與電子工程學院 江西省南昌市 330013）

1 引言

隨著半導體行業(yè)和探測技術(shù)的快速發(fā)展，人們不再滿足于對單色波段的探測，探索方向逐漸轉(zhuǎn)為對多色波段的探測。因高晶體質(zhì)量紫外光敏材料外延生長問題的逐漸解決，研究人員逐漸拓寬了對雙色集成光電探測器材料的選擇。其中，以氧化物材料和Ⅲ族氮化物材料研究為主。而以GaN為代表的Ⅲ族氮化物材料具有寬禁帶、高電子飽和速率等優(yōu)點，常用來制備大功率、抗輻射等器件，是有廣泛應用前途的子帶間光電子器件材料。AlGaN是直接帶隙半導體，其帶隙隨Al組分的變化而變化，是極好的紫外光敏材料，隨著Ⅲ族氮化物量子阱紅外探測(QWIP)的研究發(fā)展，GaN基材料逐漸成為雙色探測的首選材料。當前GaN基紫外-紅外雙色集成光電探測器在快速發(fā)展，但大多數(shù)是以異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為主的，關(guān)于GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測器的相關(guān)報導還是較少的。

為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備，通常要對外延生長的化合物摻雜。當前，GaN基p摻雜的研究進展緩慢，主要是因為GaN纖鋅礦結(jié)構(gòu)中鎵原子和氮原子之間的共價鍵能量強，且低阻p型AlGaN材料獲得難度隨Al組分增加而增加。當前研究表明對GaN基材料進行p摻雜較為困難，能夠達到的p摻雜濃度約為10cm～10cm，繼續(xù)對其摻雜并不會提高其濃度。目前關(guān)于p摻雜的GaN基雙色集成光電陰極文獻幾乎未見報道，因而更需要對其進行仿真研究來獲得摻雜濃度的改變對陰極結(jié)構(gòu)的影響，這對實驗具有指導意義。

本文設計了一種P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測器結(jié)構(gòu)，探測器通過帶間躍遷實現(xiàn)紫外光探測，通過子帶間躍遷實現(xiàn)紅外光探測。在不外加電場的條件下，光生載流子依靠內(nèi)部存在的極化電場和內(nèi)建電場輔助下進行隧穿和電子輸運，最后發(fā)射至真空中從而實現(xiàn)光探測。

2 結(jié)構(gòu)設計、材料生長和器件制備

本文設計了一種在藍寶石上外延生長的P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測器結(jié)構(gòu)，簡述了其器件的工藝制備步驟并分析了其光譜響應特性。首先，簡單說明了結(jié)構(gòu)的設計、探測峰波長的計算和光學仿真結(jié)果；隨后，介紹了材料生長、表征和光譜測試；最后，進行光電探測器器件的制備并測試其在室溫、零偏壓下的光譜響應曲線并分析其特性。

GaN/AlGaN紫外-紅外雙色集成光電探測器結(jié)構(gòu)及其對應的光譜響應仿真結(jié)果如圖1所示。結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，在藍寶石上外延生長3μm的AlN緩沖層；接著是200nm厚P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN下帽層；接著多量子阱層有源區(qū)，其中勢阱層是由單個3nm厚P型摻雜濃度為5×10cm的GaN和20個13nm厚的低P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN組成，勢壘層是由13nm厚的低P型摻雜濃度為1×10cm的AlGaN組成；在多量子阱層有源區(qū)上是200nm厚Mg摻雜濃度為1×10cm的AlGaN上帽層；最后是3nm厚的Mg摻雜濃度為1×10cm的GaN發(fā)射層。

圖1

光電探測器探測峰值可由下式（1）計算：

式中：E為阱中基態(tài)能級；E為阱中激發(fā)態(tài)能級；h為普朗克常量；c為光速。其中，下式（2）為量子阱分立的能量本征值計算公式：

由式（1）、（2）可以得到對于P-GaN勢阱層來說，當紅外光照射時，光電探測器的探測峰值約為1.84μm和0.70μm。

如圖1(b)所示為根據(jù)Silvaco TCAD仿真得到的光譜響應圖，從圖中可以看出光電探測器在紫外光照射時具有好的光譜響應，在220nm-260nm波長間響應度最好；在可見光波段下具有“日盲”特性；在紅外光照射時，其在1.8μm處有一好的響應峰值，在0.8μm處有一小的峰值；但相較于紫外光來說，其光譜響應度還是較低的。

本文是利用化學氣相沉積法(MOCVD)在藍寶石襯底上生長光電探測器外延層結(jié)構(gòu)。在生長之前，先對襯底進行清洗，去除表面的雜質(zhì)和污跡；然后通過改變生長溫度、壓力、氫氣和氨氣的流量、鋁源和鎵源的流量、Mg元素摻雜量等參數(shù)來控制外延層各層的厚度等。如圖2所示為對生長后結(jié)構(gòu)進行掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)表征和分光光度計測試結(jié)果圖，由圖2(a)掃描電鏡截面觀察圖可以看出其具有幾個明顯的分層，經(jīng)過對截面厚度測距后發(fā)現(xiàn)實際生長厚度與設計厚度有些許誤差，但整體誤差不大，這是因為在實際生長過程中需要控制變量太多，容易出現(xiàn)對時間把握度不夠從而出現(xiàn)誤差。圖2(b)為X射線衍射測試結(jié)果圖，其采用的是θ/θ掃描方式，根據(jù)公式（3）、（4）、（5）可以計算出量子阱的周期長度、對應衍射峰的晶格常數(shù)和Al組分值等：

圖2

由上述公式可以求得其衍射峰的晶格常數(shù)為5.145?，Al組分值為20.1%，量子阱有源區(qū)的一周期長度為27.63nm，20周期下的長度為552.6nm，這與本文設計的探測器結(jié)構(gòu)量子阱有源區(qū)厚度基本一致，與SEM觀察截面所得到的量子阱有源區(qū)整體厚度值也是基本一致的。

對生長結(jié)構(gòu)進行表征后使用UV-4150分光光度計對其進行光譜測試，本文是使用的是漫反射測試原理對其進行紫外-可見光波段的測試，如圖2(c)所示為漫反射測試原理下的吸光度曲線，從圖中可以看出當紫外光照射時，測得的吸光度在250nm處和300nm處都存在一峰值，且整體紫外光波段下的吸光度都很高；當可見光照射結(jié)構(gòu)時，其吸光度很低，幾乎為0，這與圖1(b)仿真所得的光譜響應曲線趨勢基本是保持一致的。由于量子阱的子能帶吸收存在一量子選擇定則，即對于普通垂直于量子阱表面的光是不能夠被吸收的，故而需要測試光源與樣品之間存在一定角度，但由于分光光度計的光源是固定的，而將樣品變動與光源呈現(xiàn)角度時，樣品就不能夠緊貼反射積分球，就會出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，從而導致測試數(shù)據(jù)的不準確性與不穩(wěn)定性，因而本文未對樣品進行紅外光波段的光譜測試。

在對生長結(jié)果后進行表征測試后進行器件的制備，整個器件制備流程主要分為以下六部分：

（1）對刻蝕區(qū)域的光刻；

（2）對無光刻膠覆蓋區(qū)域進行感應耦合等離子體(ICP)刻蝕；

（3）對結(jié)構(gòu)進行電極區(qū)域的二次光刻；

（4）對二次光刻后的結(jié)構(gòu)使用熱阻蒸發(fā)法進行金屬薄膜的沉積；

（5）對光刻膠上沉積的金屬薄膜進行剝離；

（6）對制備完成的器件進行光學性能測試這六大部分。

最終得到如圖1(a)所示的光電探測器結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

本文使用的是Keithley 4200半導體參數(shù)分析儀來對制備的器件進行光譜響應測試。其設備內(nèi)部有4根金屬微米探針，標號P1、P2、P3、P4，測試時將探針接觸于樣品電極上，通過顯示器對其設置外加偏壓電壓的大小來測量相應條件下電流值等。

本文首先測量的是樣品在暗室條件下的I-V特性曲線，將制備的器件放置進參數(shù)分析儀設備中，設置其測試電壓-5～5V，測得其暗室條件下的I-V特性曲線如圖3(a)所示，從圖中可以看出蒸鍍金屬Au樣品接觸為肖特基接觸，存在肖特基勢壘，這就可能會對后續(xù)光電流的隧穿造成影響。

圖3

在完成樣品暗室條件下I-V特性曲線測試后，本文接著測試樣品在不同波長光照射下的光譜響應。由于缺乏連續(xù)波段的光源，故而選擇購買單色的紫外波段、可見光波段、紅外波段的光源來對樣品進行光學測試。將樣品放置于半導體參數(shù)分析儀中，設定外加偏置電壓為0V，通過使用不同波長的光源照射樣品從而測定其產(chǎn)生的電流值，再將產(chǎn)生的電流值減去暗電流從而得到樣品本身在外加光源照射時產(chǎn)生的光電流值。如圖3(b)所示為計算后得到的樣品在不同波長光照射下產(chǎn)生的光電流值與光功率比值得到的光譜響應值，由圖可知，當紫外光照射時，樣品有好的光譜響應，在253.7nm處的光譜響應為8.47mA/W，因為GaN基材料本身就是紫外光敏材料，但由于目前有的紫外波長為253.7nm和365nm，因此暫時不能知道器件在其它紫外光波段光源照射下的響應值是否高于已知的光譜響應；當可見光照射時，器件響應弱，響應度幾乎為0，這也從側(cè)面說明了器件具有“日盲”特性；當紅外光照射時，器件在780nm處有一個響應峰值，其光譜響應為0.013mA/W，隨著波長的增加，光響應逐漸變?nèi)?，這與光學仿真所得趨勢基本一致；但由于目前只有780nm～1μm之間的紅外光源，因此器件是否在1.8μm處有另一個響應峰值還處于未知狀態(tài)。

對于量子阱光電探測器來說，暗電流是其關(guān)鍵指標，在GaN基量子阱紅外探測器中，暗電流來源主要有兩方面：

（1）由基態(tài)電子隧穿導致的；

（2）由于缺陷和位錯導致的，而因為材料內(nèi)部位錯導致的漏電通道是造成暗電流增加的主要原因。

由上述測試數(shù)據(jù)可知，在紅外光照射下，電流值很低，分析其原因主要有以下幾個方面：

（1）GaN基外延材料晶體質(zhì)量差，大量位錯密度存在于量子阱中，從而導致漏電流很大，光響應信號很難被探測；

（2）因為多量子阱有源區(qū)截面生長粗燥，從而導致噪聲信號增加，從而使得微弱的光信號難以被探測；

（3）因為多量子阱中存在著強大的極化場，從而使得能帶傾斜劇烈，基態(tài)能級下降，激發(fā)態(tài)能級上升，電子被束縛在基態(tài)能級，這將導致ISBT躍遷的光子很難被輸運到電極處；

（4）因為金屬Au與樣品接觸為肖特基接觸，存在肖特基勢壘，故而在無外加電壓的情況下，電子難以隧穿勢壘跑出來。

4 結(jié)論

綜上，本文設計了一種P型GaN/AlGaN量子阱紫外-紅外雙色集成光電探測器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工作在室溫、零偏壓下；通過使用Silvaco TCAD軟件對其進行光學特性仿真得到其光譜響應曲線，后續(xù)對設計結(jié)構(gòu)進行實物的生長、表征分析和使用分光光度計對其進行光譜測試；接著通過工藝流程制備了紫外-紅外雙色集成光電探測器件并使用Keithley 4200半導體參數(shù)分析儀測試器件在不同光波長下的光譜響應曲線。通過測試發(fā)現(xiàn)器件在紫外波長為253.7nm時光譜響應值為8.47mA/W，在可見光波段具有“日盲”特性，在紅外光波段為780nm處有一小的光譜響應值，約為0.013mA/W，而后隨著光波長的增加，光響應逐漸減弱，這與本文初始仿真結(jié)果基本一致。但由于缺乏連續(xù)光源和長波光源，后續(xù)還有待驗證器件在1.8μm是否具有好的光譜響應。