一种肖特基势垒增强型N⁃AlGaN基MSM日盲紫外光电探测器

王国胜，谢 峰，王 俊，王唐林，宋 曼，吴浩然，郭 进

（中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088）

一种肖特基势垒增强型N⁃AlGaN基MSM日盲紫外光电探测器

王国胜，谢 峰，王 俊，王唐林，宋 曼，吴浩然，郭 进

（中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥230088）

研制一种以薄的高阻AlGaN覆盖层作为肖特基势垒增强层的N⁃AlGaN基金属⁃半导体⁃金属（MSM）日盲紫外光电探测器。与无覆盖层的参考器件相比，覆盖高阻AlGaN层后探测器的暗电流大幅度减小。在5 V偏压下，覆盖高阻AlGaN层的光电探测器的暗电流为1.6 pA，响应度为22.5 mA/W，日盲紫外抑制比大于103，探测率为6.3×1010cm·Hz1/2/W。

探测器；紫外光电探测器；铝镓氮；日盲；肖特基势垒

0 引言

AlGaN半导体材料具有优越的物理化学特性、逐渐成熟的材料生长技术和可覆盖日盲紫外区的直接带隙（3.4～6.2 eV），是制作日盲紫外探测器的理想材料。

日盲紫外探测器在导弹制导与预警、火焰预警、化学/生物传感以及太阳天文学研究等民用和军用领域有重要应用前景[1]。目前，各种结构的AlGaN基日盲紫外光电探测器已有大量报道，其中包括了光电导探测器[2]，金属⁃半导体⁃金属（MSM）探测器[3⁃4]，肖特基势垒型探测器[5]，P⁃I⁃N结探测器[6]。MSM结构的光电探测器制作简单、响应速度快，与FET制作工艺兼容，是人们关注的研究热点之一。基于N型掺杂半导体的MSM PD具有可以MESFET实现单片集成的潜在优势，然而，迄今为止，还未见有高性能N⁃AlGaN基MSM日盲紫外光电探测器文献报道。

这主要是由于在蓝宝石衬底上获得高质量高Al组分N型AlGaN外延材料还很困难[7]，因此制备的N⁃Al⁃GaN MSM结构日盲紫外探测器的有效肖特基接触势垒通常较低，导致器件暗电流较高，严重限制了器件性能。在过去的研究中，关于提高（Al）GaN基肖特基势垒型紫外探测器性能的方法已有报道，例如，通过在器件结构中插入能带更宽的覆盖层或绝缘介质层的方法提高器件的有效肖特基接触势垒[8⁃9]。

本文研制了基于蓝宝石衬底的N型AlGaN MSM日盲紫外光电探测器，针对该器件首次提出了一种用与光吸收层的晶格完全匹配的高阻AlGAN覆盖层提高有效肖特基势垒高度的结构。

无覆盖层结构的参考器件相比，这种结构的器件的暗电流得到了显著降低。研制的势垒增强型N型Al⁃GaN MSM日盲紫外探测器综合性能良好。

1 实验

1.1 AlGaN薄膜制备

本文使用的外延片由MOCVD方法在2 in的双面抛光的蓝宝石衬底上生长获得。器件外延结构包括（结构A）：用来克服后续外延层中张应力的0.3 μm高温AlN缓冲层，0.3 μm硅掺杂（约为2.0×1017cm-3）N⁃Al0.4Ga0.6N光吸收层和20 nm的Al0.4Ga0.6N高阻覆盖层。AlGaN外延层的生长温度为1 100℃，Ⅲ/Ⅴ比约为1 000，腔体压力控制在100 mtorr。为了进行器件性能的对比研究，同时也设计生长了和结构A相比仅无高阻覆盖层的器件外延结构（结构B）。本文采用Lambda 950 UV⁃VIS⁃NIR分光光度计测量分析AlGaN外延结构的透射谱。

1.2 器件的制备与测试

外延结构A和B的器件制作采用的是标准的光刻和剥离技术，器件的有效源区面积为0.16 mm2。制作过程如下：首先，在外延片表面采用电子束蒸发和光刻技术淀积和定义了Ni/Au（7 nm/7 nm）半透明的叉指电极层，叉指状电极的指宽为10 μm，指长为400 μm，指间距为10 μm。然后，淀积了Ti/Au（20 nm/120 nm）Pad层。图1给出器件A的结构（结构A）示意图和完成制作后所拍摄的器件正面照片。

图1 MSM日盲紫外探测器的结构示意图

器件制备完成后，利用Keithley 2636A源表测量了器件在黑暗和光照情况下的I⁃V特性。在器件的光谱响应特性测量过程中，选用的光源是500 W的氙灯，氙灯发出的光通过单色仪输出单色光经过光纤直接照射在器件的光接收面，光功率由一个标准的Si基光电二极管标定。器件的噪声特性测过程为：将待测器件置于Cas⁃cade探针台的样品室中后，选用多级可调干电池组密封盒作为低噪声电源来驱动电路，器件的电流噪声经低噪声电流前置放大器（SR570）放大后，通过频谱分析仪（SR785）测得被测噪声信号在一定频带内的均方根值。

2 结果与讨论

图2给出的是结构A在200～600 nm波段范围内的光学透射谱。由于完全被光吸收层吸收掉，波长小于280 nm的光透射率几乎为零。透射曲线在长波长范围内展示出了陡峭的截止和清晰的干涉震荡，这表明外延结构具有良好的一致性和较好的界面质量[10]。基于透射谱计算出AlGaN薄膜的吸收系数α后，可得到如图2中（αhν）2和入射光的光子能量hν变化关系曲线，从该曲线推算出AlGaN薄膜的直接带隙约为4.4 eV，这与设计结果保持一致。

图2 外延结构A的光学透射谱及其光吸收层的吸收系数和光子能量hν的关系曲线

图3为器件A和器件B在室温下的暗电流和光电流曲线。在0～5 V的偏压范围内，器件A的暗电流小于2 pA，而器件B的暗电流最高达到了10 μA量级。在5 V的偏压下，器件A和B的暗电流分别为1.6×10-12A和6.8×10-5A，器件B的暗电流是器件A的～4×107倍。另外，图3中，器件A在入射光波长为254 nm、光功率为5.8 μW/mm2光照条件下测得的电流在0.1 V和5 V偏压下分别为～1.2×10-8A和～1.9×10-8A，光电流和对应的暗电流之比分别为～2.4×105和～1.0×10（4光/暗电流之比的曲线见图4），其中，光电流为器件在光照条件下和黑暗条件下的电流值之差。

图3 器件A和B在室温下的暗电流和光电流曲线

而器件B在同样光照和偏压条件下测得的电流仅略高于暗电流，在0.1～5 V偏压范围内，光电流和对应的暗电流之比在一个量级以下（光/暗电流之比的曲线见图4）。和器件B相比，器件A的暗电流大幅度减小和光电流暗电流之比显著改善应归功于高阻AlGaN覆盖层设计，该覆盖层钝化了器件的光吸收层表面，增加了有

效势垒高度[11⁃12]。

图4 器件A和B的光/暗电流之比

图5为器件A的光响应特性曲线。器件的光响应截止陡峭，截止发生在～280 nm处，与透射谱的测量结果一致。在5 V以内的偏压下，日盲紫外抑制比超过103。这里，把270 nm的响应度与365 nm的响应度的比值定义为日盲紫外抑制比。当偏置电压从2 V增加到5 V时，270 nm处的峰响应度从～13.8 mA/W增加到～22.5 mA/W。随着偏压的增加，外量子效率增加的主要原因是电场逐渐增强后光生载流子的收集效率会逐渐提高[12]。

图5 器件A在不同偏压下的光谱响应曲线

图6为器件A的低频噪声谱。测得的噪声功率和频率f的关系在1～1 000 Hz的频率范围内满足1f关系，表明在一定的偏压下器件的低频噪声主要是1f噪声。研究指出，基于（Al）GaN宽带隙半导体的器件的1f噪声和和材料中有陷阱效应的缺陷能级有关[13]。

在一定的带宽（B）范围内，噪声电流可通过对噪声功率密度S（nf）在0～B范围内进行积分得到，如式（1）所示：

式中：噪声功率密度在0～1范围内的值为常数S0。于是，噪声等效功率NEP可有下式得出：

最后，探测率可由下面的表达式给出：

式中：A为器件面积。已知器件A面积为A=0.16 mm2，对波长为270 nm的光的响应度在2 V和5 V的偏压下分别为Rλ≈13.8 mA/W和Rλ≈22.5 mA/W，结合式（2）、式（3）以及噪声测量结果可以求得在给定带宽B=1 kHz下该器件的噪声等效功率和探测率在2 V和5 V的偏压下分别为：NEP=1.8×10-11W，D*=7.0×1010cm·Hz1/2/W；NEP= 2.0×10-10W，D*=6.3×1010cm·Hz1/2/W。器件的探测率在一定偏压下与过去的一些典型的（Al）GaN基光电探测器相当[14]。

图6 器件A的低频噪声谱

3 结语

本文研制了一种以薄的高阻AlGaN覆盖层作为势垒增强层的N⁃AlGaN基MSM日盲紫外光电探测器。覆盖高阻AlGaN层后的光电探测器和传统的无覆盖层的参考器件相比其暗电流得到了显著改善。研制的肖特基势垒增强型日盲紫外光电探测器具有良好的综合性能，在5 V偏压下，其暗电流为1.6 pA，响应度为22.5 mA/W，日盲紫外抑制比超过1×103，探测率为6.3×1010cm·Hz1/2/W。

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N⁃type AlGaN⁃based MSM solar⁃blind ultraviolet photodetectors with enhanced Schottky⁃barrier

WANG Guo⁃sheng，XIE Feng，WANG Jun，WANG Tang⁃lin，SONG Man，WU Hao⁃ran，GUO Jin
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

An n⁃type AlGaN⁃based metal–semiconductor–metal（MSM）solar⁃blind ultraviolet（UV）photodetector（PD）taking thin high⁃resistive AlGaN cap layer as Schottky⁃barrier enhancement layer was developed.Compared with the control PDs without the thin cap layer，dark current of PD with high⁃resistive AlGaN cap layer is signifcantly small.At the bias voltage of 5 V，dark current of PD with high⁃resistive AlGaN cap layer is 1.6 pA，its responsivity is 22.5 mA/W，solar⁃blind/UV rejection ra⁃tio is more than 103，and detectivity is 6.3×1010cm·Hz1/2/W.

detector；ultraviolet photodetector；AlGaN；solar⁃blind；Schottky⁃barrier

TN710⁃34；O472

A

1004⁃373X（2015）04⁃0111⁃03

王国胜（1984—），男，博士研究生，工程师。主要从事宽禁带半导体材料和器件方面的研究工作。

2014⁃08⁃15

国家自然科学基金资助项目（61306089；61307049；61307040）；国家国际科技合作专项资助项目（2013DFE13090）