GaN基p-i-n紫外列阵探测器的制备与光电特性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 亢勇 |
| 答辩日期 | 2006-02-17 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 方家熊 |
| 关键词 | Gan基阵列紫外探测器 器件制备 Icp干法刻蚀 结电容频率特性 内量子效率 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 本文从研制性能优良的GaN基p-i-n列阵紫外探测器的要求出发，围绕高Al组分AlGaN的ICP干法刻蚀，GaN p-i-n 紫外探测器存在的电容频率特性问题，正照射GaN p-i-n线列紫外探测器的制备及响应率、响应光谱的限制问题，以及背照射AlGaN紫外列阵探测器的制备和响应光谱的分析等器件制备的关键工艺和与器件光电性能密切相关的器件物理问题展开。获得了高Al组分AlGaN的ICP干法刻蚀的优化工艺条件；通过研究正照射GaN p-i-n 紫外线列探测器的电容频率特性以及响应光谱的拟合分析，找到了正照射GaN基p-i-n紫外探测器响应率、响应光谱限制的原因；利用ICP干法刻蚀的优化工艺条件制备了响应波段在341-355nm的32×32 AlGaN p-i-N紫外焦平面器件和响应波段在231-264nm的128×1 AlGaN p-i-N紫外焦平面器件。主要结论如下：研究了不同直流自偏压、不同物理刻蚀气体比例、不同物理/化学刻蚀气体比例、不同BCl3含量对高Al组分AlGaN刻蚀的影响，并对干法刻蚀的电学损伤和表面形貌进行了分析评价。主要结果为：离子能量对于材料的损伤作用很明显，而i型材料较n型材料更为敏感；He气与Ar气相比不太适合于AlGaN材料的刻蚀；适当选择化学与物理刻蚀气体的比例可以获得较好的刻蚀速率和表面粗糙度；BCl3含量的增加有助于减小刻蚀造成的损伤，可以获得较好的表面粗糙度。综合考虑获得的ICP干法刻蚀AlGaN的条件为：主功率350W，直流自偏压-100V，BCl3/Cl2/Ar=24/3/3sccm，即Cl2/Ar=1:1，BCl3%=80%，此条件表现出明显的选择性刻蚀。采用Schibli-Milnes模型对64×1 GaN p-i-n线列紫外探测器在小信号测试条件下的结电容的频率特性进行了研究。利用高频下器件的C-V曲线，以及ΔV/Δ(C-2)vs.C的方法得到了空间电荷区中深能级的平均浓度约为2.98E20cm-3。分析认为此深能级主要来自于未激活的Mg杂质，这些Mg杂质均对空间电荷有贡献，其激活能为260meV，空穴热俘获截面为2.73E-22cm2。并对深能级杂质浓度超过n侧重掺杂区浓度时Schibli-Milnes模型的适用性进行了讨论，认为其解析解仍可用于描述GaN p-i-n探测器的电容－频率特性。利用MOCVD生长的三种正照射结构的GaN材料分别制备了64×1GaN p-i-n线列紫外探测器，并对三种结构器件的响应光谱的进行了分析拟合，找出了正照射GaN p-i-n紫外探测器响应率、量子效率偏低的原因。在对三种结构器件的响应光谱的拟合中发现p型层中的大部分都是无效吸收层，对器件的响应率和量子效率没有贡献。结合器件电容与频率特性的分析以及变偏压响应光谱的拟合分析认为器件响应率偏低特别是短波长方向下降明显的原因主要是p型层中掺入的浓度相当高的Mg杂质（~1E20cm-3）均对空间电荷有贡献，使得器件的结深比较深（相对于吸收深度而言），从而大大降低了器件的响应率和量子效率。在进行正照射GaN基p-i-n结构紫外探测器的器件结构设计时要以p型层Mg杂质的掺杂浓度为依据进行结深和结宽的设计。在正照射GaN p-i-n线列紫外探测器制备工艺和高Al组分AlGaN ICP干法刻蚀工艺的基础上，利用低Al组分和高Al组分两种背照射结构的AlGaN p-i-N异质结构材料分别制备了32×32面阵紫外探测器和128×1线列紫外探测器，并实现了与读出电路的互连。32×32面阵器件的平均零偏压动态电阻R0为1.10E9Ω，平均零偏压下的暗电流Id为1.63E-10A，焦平面的响应波长范围为341-355nm，峰值响应波长为347nm，峰值响应率为0.162A/W，峰值响应波长下的平均D*为7.71E9cmHz1/2W-1，最大D*为1.94E11cmHz1/2W-1，无效像元占有率为35.9%。对于高Al组分的128×1线列紫外探测器，其平均零偏压动态电阻R0为1.62E10Ω，平均零偏压下的暗电流Id为7.73E-11A，响应波段约在231-264nm，峰值响应波长242～246nm之间，峰值响应率0.135～0.194A/W之间。128×1紫外线列焦平面的响应不均匀性为57.9%，平均D*为5.99E8cmHz1/2W-1，无效像元占有率为9.4%。采用异质p-i-N结的光电响应模型对两种结构器件的响应光谱进行了分析拟合，结果表明器件的量子效率主要来自i层空间电荷区的漂移电流；空间电荷区主要分布在i层；背照射结构比正照射结构容易获得较高的响应率和量子效率，在响应波段的控制方面也具有明显的优势。 |
| 学科主题 | 红外探测材料与器件 |
| 公开日期 | 2012-07-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/4454]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 亢勇. GaN基p-i-n紫外列阵探测器的制备与光电特性研究[D]. 中国科学院研究生院. 2006. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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