不同电极材料MSM紫外探测器性能研究

李滔,廖俊

(1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422000;2.高效动力系统智能制造湖南省重点实验室,湖南 邵阳，422000)

紫外光电探测器是一种突出的光电子器件,通用于光纤通信、图像传感器、臭氧传感、辐射泄漏检测、天文研究和遥控器等[1]。氮化镓(GaN)是直接宽带隙半导体,由于其具有高击穿电压、高电子迁移率、低暗电流、高化学和热稳定性[2-4]等特点,广泛应用于紫外探测器件材料。在氮化镓的材料生长过程中,一般采用蓝宝石、Si和SiC等外延生长GaN薄膜[5-6]。为了提高GaN基紫外探测器性能,可使用不同的探测器结构,如p-i-n结构、肖特基结构和MSM结构器件[7]。其中,MSM器件由于结构简单,简化了制造工艺,吸引了大多数研究人员的关注。MSM结构包括背靠背金属半导体(MS)触点,其中采用相同金属电极和不同金属电极器件，被定义为对称MSM和非对称MSM器件结构,比如采用金属Au和GaN制作的对称MSM紫外光电探测器具有较高的响应度[8-9]。在GaN上采用不同金属制作两边电极,不同金属电极与半导体接触,形成非对称MSM器件结构,不同金属具有不同的功函数(WF),因此，非对称电极MSM结构器件中会产生内置电位梯度,正向偏压时可以降低肖特基势垒高度(SBH)和改善电流导通。采用Ni和In作为金属电极与GaN接触制作对称和非对称MSM器件,通过不同器件性能的比较,得到不同金属作为电极的紫外探测器光电流、暗电流和光电响应变化规律,分析器件性能变化规律的原理,以便为MSM器件紫外探测器性能研究提供理论和实验基础。

1 器件制作

如图1所示为GaN基紫外探测器MSM器件结构示意图,器件材料衬底采用蓝宝石,在蓝宝石上沉积一层缓冲层材料(GaN或AlN),然后，在缓冲层材料上继续沉积GaN光吸收层,在GaN上制作对称金属电极(如图1(a)所示)和非对称金属电极(如图1(b)所示)。器件具体制作过程为:首先,通过标准的清洁工艺对蓝宝石衬底进行化学预清洁,然后在850 ℃下退火以获得表面原子清洁的蓝宝石表面。通过等离子体辅助分子束外延系统在蓝宝石衬底上外延生长GaN(0002)膜,该系统配备RF等离子体源以提供活性氮将GaN蒸发到蓝宝石上。为了最小化蓝宝石衬底和GaN之间的晶格失配,先在810 ℃下生长一层约100 nm厚的AlN缓冲层,然后在740 ℃下生长非常薄的外延GaN膜(约1 500 nm),RF功率为500 W,氮气流量为1.5×10-6m3/s。制造金属电极之前,需化学清洗GaN薄膜以去除表面污染物,以实现低接触电阻。对称电极MSM器件的制作只需要采用带有电极图案的掩模板对样品进行光刻,利用光刻胶把叉指电极图案转移到样品表面,然后在室温下通过磁控溅射(背底真空度为2×10-4Pa,沉积金属时采用氩气为载体气流,气压控制在1 Pa,溅射功率为直流60 W,溅射时长30 min)沉积约300 nm厚的Ni(或In,溅射时长10 min)金属电极。磁控溅射完成后,取出样品,丙酮溶液浸泡样品1 min,然后把丙酮溶液和样品放置在超声仪器中超声5～10 s,剥离多余金属,得到Ni-Ni电极MSM器件和In-In电极MSM器件。对于非对称电极(Ni-In)器件的制作,需要先进行光刻,得到一边Ni电极图案；磁控溅射Ni,剥离后得到Ni电极,再次进行光刻,得到另一边In电极图案；然后磁控溅射In,剥离后得到非对称电极(Ni-In)器件。所使用的掩模板图案中,电极宽度和间隔均为20 μm。

(a)对称MSM器件结构

(b)非对称MSM器件结构

2 器件测试过程及结果分析

器件制作完成后,采用2个压针分别接触器件两边电极区域,2个压针分别连接数字源表,通过数字源表在器件一端电极上施加电压,另一个电极连接数字源表接地端口,数字源表可以实现1×10-12A至100 A电流的检测,通过数字源表对器件两端电极施加范围为-10 V至10 V的扫描电压,分别对Ni-Ni对称电极器件、In-In对称电极器件和Ni-In非对称电极器件测试得到暗场下I-V(其中，I为电流，V为电压)、紫外光照射下I-V、开关紫外光源时光响应数据。图2为3个器件暗场I-V数据,In-In对称电极器件在正负偏压下,输出电流基本对称,10 V偏压时,暗电流ID为3.8×10-8A,Ni-Ni对称电极器件在正负偏压下,输出电流也基本对称；10 V偏压时,器件暗电流为4.2×10-9A。Ni-In非对称电极器件在正负偏压下,输出电流呈现非对称变化,在负偏压时,器件暗电流与Ni-Ni器件的暗电流基本一致,而在正偏压时,器件暗电流与In-In器件的暗电流基本一致。在正偏压下,实验结果显示MSM器件的暗电流遵循ID(In-In)>ID(Ni-In)>ID(Ni-Ni)。

非对称电极MSM器件暗电流不具有对称性,可归因于不同金属功函数差异。对于无意掺杂的GaN薄膜,当GaN费米能级低于半导体的金属功函数能级时,金属与半导体形成欧姆接触；而当金属功函数能级高于半导体费米能级时,金属将与半导体形成肖特基接触。在所有合适做电极的金属中,Ni金属功函数为5.1 eV,具有较高的功函数,In的功函数为4.1 eV,与GaN费米能级接近。半导体与金属接触面的肖特基势垒高度(SBH)可根据莫特模型计算:

Øs=Øm-χ

(1)

其中：Øs是肖特基结的势垒高度；Øm是金属的功函数；χ是半导体的电子亲和力(对于GaN,χ=3.8 eV)。这导致Ni-GaN接触的最高肖特基势垒理论高度为1.3 eV。而另一种电极金属In与GaN接触界面,In-GaN接触势垒高度理论为0.3 eV,其接触势垒高度明显小于Ni-GaN接触势垒高度。采用Ni金属和In金属分别作为不同电极与GaN接触形成非对称MSM器件结构,由于不对称接触的肖特基势垒高度差异,导致2个电极之间半导体内部形成内置电位梯度,这使非对称MSM器件结构具有增强正向偏压电流特性(在非对称器件中,对Ni电极的正偏压使其向前偏压,而对In电极的负偏压使其反向偏压)。此外,非对称器件反向偏压时,暗电流较小。考虑到在偏置条件下,整个电位降将跨越反向偏置的MS结,导致紫外探测器中暗电流较小。对于3种不同器件,理想光电探测器的暗电流都可以通过公式(2)计算:

(2)

其中：A是器件的曝光区域面积，cm2；A*是有效Richardson常数；Øb是肖特基势垒；V是外部施加偏压；n是理想因子；T是温度；q是电子的电荷；k是玻尔兹曼常数。由式(2)可知MSM器件暗电流随着SBH增加呈指数衰减,因此,对于具有较低肖特基势垒的触点,暗电流将更高。在图2中,In-In对称MSM结构(具有用于In MS接触的最低肖特基势垒)显示出最高的暗电流,接着是非对称电极Ni-In器件和Ni-Ni MSM结构器件。Ni-In MSM结构除了其他2个对称MSM结构都具有2个MS接触面之外,GaN内部还具有内置电场作用,在GaN与金属电极接触面已经达到费米能级平衡时,内部会存在1个阻碍电子和空穴继续相向运动的内部电场。由于非对称Ni-In器件中存在1个Ni电极与GaN较高的接触势垒,该接触面处会阻碍暗电流,从而导致非对称Ni-In器件暗电流小于In-In器件暗电流。此外,当非对称器件Ni接触端施加负偏压时,暗电流受MSM结构中的反向偏置Ni接触面阻碍,因此,Ni-In器件负偏压时,暗电流与Ni-N MSM器件暗电流接近。

3种器件光电流IL特性测试结果如图3所示。从图3可见：3种器件光电流大基本接近。这是因为光照下GaN材料对光进行吸收,然后产生光生载流子。光生载流子分离后,电子聚集在导带上,导致肖特基势垒降低甚至是肖特基势垒降为0,因此,3种器件的光电流相差不大。在相同电压下光电流关系如图3中插图所示:Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni)。分析其原因,可以解释为3种器件肖特基势垒高度引起的变化规律不一致,同时,也有可能是GaN薄膜生长中存在高缺陷密度(>1×1014cm-2),导致缺陷辅助隧穿电流通过Ni-GaN MS结。

图4所示为3种MSM器件在13 mW紫外光功率照射下施加8 V偏压时,开关光源时间间隔为2 s,电流随时间关系测试结果。对于Ni-In,In-In和Ni-Ni MSM 紫外探测器,10 V偏压下光响应电流分别为2.6，2.47和2.3 μA。光响应电流遵循Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni),这是因为In-GaN MS结具有较低肖特基势垒高度,在相同的偏压下更加容易收集到光生载流子。在测试结果中,Ni-In非对称MSM结构器件光响应电流比对称MSM(Ni-Ni)结构光响应电流增强1.4倍,是因为跨越MS结的势垒电势差异而导致不对称金属接触中肖特基势垒高度额外降低。

图5所示为3种不同器件电极接触面能带图,其接触势垒高度是在无外部偏压时经计算所得。图5中,Ni-GaN MS结肖特基势垒高度因为Ni具有较高的功函数,因此,高于 In-GaN MS 结肖特基势垒高度。在紫外光照射时,能量大于或等于 GaN 带隙(3.4 eV)的光子产生电子空穴对,在施加的偏压下,这些光生电子和空穴分别通过Ni和In电极收集。在正向偏压下,反向偏置的In-GaN MS结驱动电流传输,其中额外的势垒降低增强了电荷载流子的收集,这也解释了非对称MSM器件在正偏时,其暗电流几乎与In-In电极器件暗电流接近的原因。

图2 3种不同金属电极器件的暗电流Fig.2 Dark current of three different metal electrode devices

图3 3种不同器件的光电流Fig.3 Photocurrent of three different devices

(a)In-In电极器件；(b)Ni-Ni电极器件；(c)Ni-In电极器件图4 3种不同器件的光电响应Fig.4 Photoelectric response of three different devices

图5 3种不同电极器件的接触势垒高度示意图Fig.5 Schematic diagram of the contact barrier height of three different electrode devices

3 结论

由于不同金属材料具有不同的功函数,与半导体接触时形成不同的接触势垒高度,不同的接触势垒高度影响了器件暗电流,在紫外光照下,由于有光生载流子的作用,使得接触势垒被降低,从而导致3种不同器件的光电流接近。通过对不同电极材料MSM器件的研究,发现采用不同的金属材料做电极可以抑制器件漏电流(暗电流),同时在一定程度上不影响光电流,从而提高紫外探测器灵敏度。