GaN/AlGaN量子阱紫外-红外双色集成光电探测器

朱斌 邓文娟 王壮飞 周甜 吴粤川

（东华理工大学机械与电子工程学院 江西省南昌市 330013）

1 引言

随着半导体行业和探测技术的快速发展，人们不再满足于对单色波段的探测，探索方向逐渐转为对多色波段的探测。因高晶体质量紫外光敏材料外延生长问题的逐渐解决，研究人员逐渐拓宽了对双色集成光电探测器材料的选择。其中，以氧化物材料和Ⅲ族氮化物材料研究为主。而以GaN为代表的Ⅲ族氮化物材料具有宽禁带、高电子饱和速率等优点，常用来制备大功率、抗辐射等器件，是有广泛应用前途的子带间光电子器件材料。AlGaN是直接带隙半导体，其带隙随Al组分的变化而变化，是极好的紫外光敏材料，随着Ⅲ族氮化物量子阱红外探测(QWIP)的研究发展，GaN基材料逐渐成为双色探测的首选材料。当前GaN基紫外-红外双色集成光电探测器在快速发展，但大多数是以异质结结构为主的，关于GaN/AlGaN量子阱紫外-红外双色集成光电探测器的相关报导还是较少的。

为实现结构的制备，通常要对外延生长的化合物掺杂。当前，GaN基p掺杂的研究进展缓慢，主要是因为GaN纤锌矿结构中镓原子和氮原子之间的共价键能量强，且低阻p型AlGaN材料获得难度随Al组分增加而增加。当前研究表明对GaN基材料进行p掺杂较为困难，能够达到的p掺杂浓度约为10cm～10cm，继续对其掺杂并不会提高其浓度。目前关于p掺杂的GaN基双色集成光电阴极文献几乎未见报道，因而更需要对其进行仿真研究来获得掺杂浓度的改变对阴极结构的影响，这对实验具有指导意义。

本文设计了一种P型GaN/AlGaN量子阱紫外-红外双色集成光电探测器结构，探测器通过带间跃迁实现紫外光探测，通过子带间跃迁实现红外光探测。在不外加电场的条件下，光生载流子依靠内部存在的极化电场和内建电场辅助下进行隧穿和电子输运，最后发射至真空中从而实现光探测。

2 结构设计、材料生长和器件制备

本文设计了一种在蓝宝石上外延生长的P型GaN/AlGaN量子阱紫外-红外双色集成光电探测器结构，简述了其器件的工艺制备步骤并分析了其光谱响应特性。首先，简单说明了结构的设计、探测峰波长的计算和光学仿真结果；随后，介绍了材料生长、表征和光谱测试；最后，进行光电探测器器件的制备并测试其在室温、零偏压下的光谱响应曲线并分析其特性。

GaN/AlGaN紫外-红外双色集成光电探测器结构及其对应的光谱响应仿真结果如图1所示。结构如图1(a)所示，在蓝宝石上外延生长3μm的AlN缓冲层；接着是200nm厚P型掺杂浓度为1×10cm的AlGaN下帽层；接着多量子阱层有源区，其中势阱层是由单个3nm厚P型掺杂浓度为5×10cm的GaN和20个13nm厚的低P型掺杂浓度为1×10cm的AlGaN组成，势垒层是由13nm厚的低P型掺杂浓度为1×10cm的AlGaN组成；在多量子阱层有源区上是200nm厚Mg掺杂浓度为1×10cm的AlGaN上帽层；最后是3nm厚的Mg掺杂浓度为1×10cm的GaN发射层。

图1

光电探测器探测峰值可由下式（1）计算：

式中：E为阱中基态能级；E为阱中激发态能级；h为普朗克常量；c为光速。其中，下式（2）为量子阱分立的能量本征值计算公式：

由式（1）、（2）可以得到对于P-GaN势阱层来说，当红外光照射时，光电探测器的探测峰值约为1.84μm和0.70μm。

如图1(b)所示为根据Silvaco TCAD仿真得到的光谱响应图，从图中可以看出光电探测器在紫外光照射时具有好的光谱响应，在220nm-260nm波长间响应度最好；在可见光波段下具有“日盲”特性；在红外光照射时，其在1.8μm处有一好的响应峰值，在0.8μm处有一小的峰值；但相较于紫外光来说，其光谱响应度还是较低的。

本文是利用化学气相沉积法(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长光电探测器外延层结构。在生长之前，先对衬底进行清洗，去除表面的杂质和污迹；然后通过改变生长温度、压力、氢气和氨气的流量、铝源和镓源的流量、Mg元素掺杂量等参数来控制外延层各层的厚度等。如图2所示为对生长后结构进行扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征和分光光度计测试结果图，由图2(a)扫描电镜截面观察图可以看出其具有几个明显的分层，经过对截面厚度测距后发现实际生长厚度与设计厚度有些许误差，但整体误差不大，这是因为在实际生长过程中需要控制变量太多，容易出现对时间把握度不够从而出现误差。图2(b)为X射线衍射测试结果图，其采用的是θ/θ扫描方式，根据公式（3）、（4）、（5）可以计算出量子阱的周期长度、对应衍射峰的晶格常数和Al组分值等：

图2

由上述公式可以求得其衍射峰的晶格常数为5.145Å，Al组分值为20.1%，量子阱有源区的一周期长度为27.63nm，20周期下的长度为552.6nm，这与本文设计的探测器结构量子阱有源区厚度基本一致，与SEM观察截面所得到的量子阱有源区整体厚度值也是基本一致的。

对生长结构进行表征后使用UV-4150分光光度计对其进行光谱测试，本文是使用的是漫反射测试原理对其进行紫外-可见光波段的测试，如图2(c)所示为漫反射测试原理下的吸光度曲线，从图中可以看出当紫外光照射时，测得的吸光度在250nm处和300nm处都存在一峰值，且整体紫外光波段下的吸光度都很高；当可见光照射结构时，其吸光度很低，几乎为0，这与图1(b)仿真所得的光谱响应曲线趋势基本是保持一致的。由于量子阱的子能带吸收存在一量子选择定则，即对于普通垂直于量子阱表面的光是不能够被吸收的，故而需要测试光源与样品之间存在一定角度，但由于分光光度计的光源是固定的，而将样品变动与光源呈现角度时，样品就不能够紧贴反射积分球，就会出现漏光现象，从而导致测试数据的不准确性与不稳定性，因而本文未对样品进行红外光波段的光谱测试。

在对生长结果后进行表征测试后进行器件的制备，整个器件制备流程主要分为以下六部分：

（1）对刻蚀区域的光刻；

（2）对无光刻胶覆盖区域进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀；

（3）对结构进行电极区域的二次光刻；

（4）对二次光刻后的结构使用热阻蒸发法进行金属薄膜的沉积；

（5）对光刻胶上沉积的金属薄膜进行剥离；

（6）对制备完成的器件进行光学性能测试这六大部分。

最终得到如图1(a)所示的光电探测器结构。

3 结果与讨论

本文使用的是Keithley 4200半导体参数分析仪来对制备的器件进行光谱响应测试。其设备内部有4根金属微米探针，标号P1、P2、P3、P4，测试时将探针接触于样品电极上，通过显示器对其设置外加偏压电压的大小来测量相应条件下电流值等。

本文首先测量的是样品在暗室条件下的I-V特性曲线，将制备的器件放置进参数分析仪设备中，设置其测试电压-5～5V，测得其暗室条件下的I-V特性曲线如图3(a)所示，从图中可以看出蒸镀金属Au样品接触为肖特基接触，存在肖特基势垒，这就可能会对后续光电流的隧穿造成影响。

图3

在完成样品暗室条件下I-V特性曲线测试后，本文接着测试样品在不同波长光照射下的光谱响应。由于缺乏连续波段的光源，故而选择购买单色的紫外波段、可见光波段、红外波段的光源来对样品进行光学测试。将样品放置于半导体参数分析仪中，设定外加偏置电压为0V，通过使用不同波长的光源照射样品从而测定其产生的电流值，再将产生的电流值减去暗电流从而得到样品本身在外加光源照射时产生的光电流值。如图3(b)所示为计算后得到的样品在不同波长光照射下产生的光电流值与光功率比值得到的光谱响应值，由图可知，当紫外光照射时，样品有好的光谱响应，在253.7nm处的光谱响应为8.47mA/W，因为GaN基材料本身就是紫外光敏材料，但由于目前有的紫外波长为253.7nm和365nm，因此暂时不能知道器件在其它紫外光波段光源照射下的响应值是否高于已知的光谱响应；当可见光照射时，器件响应弱，响应度几乎为0，这也从侧面说明了器件具有“日盲”特性；当红外光照射时，器件在780nm处有一个响应峰值，其光谱响应为0.013mA/W，随着波长的增加，光响应逐渐变弱，这与光学仿真所得趋势基本一致；但由于目前只有780nm～1μm之间的红外光源，因此器件是否在1.8μm处有另一个响应峰值还处于未知状态。

对于量子阱光电探测器来说，暗电流是其关键指标，在GaN基量子阱红外探测器中，暗电流来源主要有两方面：

（1）由基态电子隧穿导致的；

（2）由于缺陷和位错导致的，而因为材料内部位错导致的漏电通道是造成暗电流增加的主要原因。

由上述测试数据可知，在红外光照射下，电流值很低，分析其原因主要有以下几个方面：

（1）GaN基外延材料晶体质量差，大量位错密度存在于量子阱中，从而导致漏电流很大，光响应信号很难被探测；

（2）因为多量子阱有源区截面生长粗燥，从而导致噪声信号增加，从而使得微弱的光信号难以被探测；

（3）因为多量子阱中存在着强大的极化场，从而使得能带倾斜剧烈，基态能级下降，激发态能级上升，电子被束缚在基态能级，这将导致ISBT跃迁的光子很难被输运到电极处；

（4）因为金属Au与样品接触为肖特基接触，存在肖特基势垒，故而在无外加电压的情况下，电子难以隧穿势垒跑出来。

4 结论

综上，本文设计了一种P型GaN/AlGaN量子阱紫外-红外双色集成光电探测器结构，该结构工作在室温、零偏压下；通过使用Silvaco TCAD软件对其进行光学特性仿真得到其光谱响应曲线，后续对设计结构进行实物的生长、表征分析和使用分光光度计对其进行光谱测试；接着通过工艺流程制备了紫外-红外双色集成光电探测器件并使用Keithley 4200半导体参数分析仪测试器件在不同光波长下的光谱响应曲线。通过测试发现器件在紫外波长为253.7nm时光谱响应值为8.47mA/W，在可见光波段具有“日盲”特性，在红外光波段为780nm处有一小的光谱响应值，约为0.013mA/W，而后随着光波长的增加，光响应逐渐减弱，这与本文初始仿真结果基本一致。但由于缺乏连续光源和长波光源，后续还有待验证器件在1.8μm是否具有好的光谱响应。