1、摘要光电探测在紫外波长范围的研究引起了人们广泛的关注。随着科技的发展，紫外探测技术得到的广泛的应用，军事上，紫外探测技术可广泛的用于导弹制导系统、紫外通信技术对抗、生化武器分析等领域中。在民用领域中，紫外探测技术也有着广泛的应用，可用于重大火灾的探测、生物医药分析、臭氧监测、紫外树脂固化、燃烧工程、紫外水净化处理、太阳照度监测、公安侦察、紫外天文学等非常广泛的领域中。总之，紫外探测技术是随着经济和科技的发展，是继红外和激光探测技术之后的又一项在军事和民用上广泛应用的光电探测技术，当今，世界各国都把紫外探测技术列为当今研究研究开发的重点课题。金属半导体金属(MSM)结构紫外探测器的结构为平面型、
2、制备工艺也比较简单、在制作的过程中只需制作金属半导体肖特基接触，而无需制作p-n结、不需要进行n型和P型掺杂，不需要制作欧姆接触，并且用它制作的日盲型紫外探测器具有高响应度、低暗电流、高紫外可见光抑制比、高探测率、高量子效率等诸多优点而倍受青睐，成为AIGaN基紫外探测器研制的首选结构之一。本论文详细的介绍了我们在制作A1GaN基MSM结构紫外探测器过程中所作的工作，包括：材料结构设计、器件结构设计、材料生长、器件制作、器件测试及性能分析。测试的结果显示：器件截止波长为276nm，说明器件有良好的日盲特性；在262nm处有陡峭的截止边，峰值响应也在262nm处，4V偏压下的峰值响应度为02AW
3、；紫外可见光的对比度约为3个数量级；在15V偏压下的暗电流约为lnA，在53v偏压下的暗电流约为l衅。测得击穿电压在50V以上。测试完成后，对测试结果进行了分析。退火的AIGaN基MSM结构紫外探测器比不退火的Iv特性曲线平滑且对称性良好，说明退火能优化肖特基接触。这些工作为制作性能良好的AIGaN基MSM结构紫外探测器提供参考，对研究单片集成、制作AIGaN基MSM结构紫外焦平面阵列具有重要的指导意义。关键词： 铝镓氮日盲光谱响应紫外探测器ABSTRACTAt present，AIGaN-based ultraviolet photodetectors(PDs)have received m
4、uchattention for their importance in the range of ultraviolet wavelengthBecause of theimmunity from interference of visible light，solar-blind PDs is used for a wide rangeof military and commercial applications，such as the missile guidance and warning，ultraviolet communication and biochemistry analys
5、is，biology and medicine analysis，etcAs the third generation semiconductor material of a direct band gap，GaN bandgap is 34eV at the room temperatureWith the variation of A1 composition，band gapof ternary alloy A1GaN can be change from 34eV to 62eV continuouslyThis rangewhich is absorbed by ozone laye
6、r of the Earth covers the main window of 200nm280ntoBecause of intrinsic advantages of MSM structure，such as planar structure，simple preparation，without making a p-n junction，avoiding sanle issues such asdoping and ohmic contact，easy to obtain high quantum efficiency,highresponsiveness，ease of monol
7、ithic optoelectronic integration，etc，MSM structurebecome widely acceptedWe have designed，fabricated，and characterized of A1GaN-based MSMu!traviolet PDsne responsivity curves show that the cutoff wavelength of 276nm，indicating the PDs have a good solar-blind characteristicThe ultraviolet|visiblerejec
8、tion is about 3 orders of magnitude at 4V biasThe dark current was about l nA at15V bias and about l U A at 53V biasWe analyzed the test results when the test wascompletedOur work will：not only provides some guides and references for thefabrication A1GaN-based MSM ultraviolet PDs with good performen
9、ce，but alsoprovides significant guiding in research of monolithic integration on UV focal planearray ofAlGaN-based MSM structureKEY WORDS： AIGaN，Solar-blind，Spectral Responsivity,UltravioletPhotodetector第一章绪论11紫外探测技术概述第一章绪论19世纪末，人类开始了对紫外线的研究11，并且这种浓厚的研究兴趣一直持续到现在。人们在研究紫外线的征程上迈出的最重要的第一步是Rowland等人在1880
10、f年制作的紫外探头，探头作在真空管内，采用圆形结构。在二战后期，随着利技的发展，电子、通信、材料等领域的飞速发展，人们研制出了火箭和卫星，并成功的发射升空，这使人类直接研究地球外层以及短波紫外线称为可能，使人类能够绕开地球大气层的影响，成功的对天文和太空观测做一些研究。在这种非常便利的情况下，一些与太空和天文科研相关的技术得到了迅速的发展包括：光栅、光源、视窗、滤色片、探测器、单色仪、斩波器和锁相放大器等各类光电仪器等【2。近些年，随着空问技术、电子技术、和信息技术和高能物理等知识的的迅猛发展，人类又一次开始了对紫外线的研究。电磁波辐射谱波长在lO400nm的范围的电磁波称之为紫外线，人们为了
11、更好的去表达，就把紫外线分为不同的区域，这种表达在科研和应用中更加方便，通常的划分为：lOlOOnm称为超紫外；100200nm称为远紫外；200280nm称为中紫外；280400nm称为近紫外。在我们所能接触到的宇宙范围内，辐射最强的紫外光源是太阳。太阳发出的电磁波辐射到地球的过程中，地球外层大气能强烈的吸收200nm波长以下的紫外线，所以只有地球外层大气以外的太空范围内存在200nm以下的紫外线，因此称存在lO“-200nm范围内的紫外电磁波辐射的区域为真空紫外区；地球近层大气中的臭氧层能够强烈的吸收200280nm范围内的紫外线，所以能够穿过地球大气层到达地球表面的太阳紫外辐射电磁波中只
12、有280-400nm范围内的紫外光，这一能够透过地球整个大气层到达地球表面的紫外线范围称为大气层紫外窗El；200“-280nm范围内的紫外线被大气层几乎能够完全吸收，所以称这一范围为太阳盲区；200nm以下的真空紫外线称为外层空间的太阳盲区【jJ。12 AIGaN基MSM结构紫外探测器的研究意义和应用前景随着科技的发展，紫外探测技术在军事和民用方面均得到的广泛的应用。军事上，紫外探测技术可广泛的用于导弹制导系统、紫外通信技术对抗、生化武器分析等领域中。在民用领域中，紫外探测技术也有着广泛的应用，可用于重大火第一章绪论灾的探测、生物医药分析、臭氧监测、紫外树脂固化、燃烧工程、紫外水净化处理、太
13、阳照度监测、公安侦察、紫外天文学等非常广泛的领域中【4】【5J。总之，紫外探测技术是随着经济和科技的发展，是继红外和激光探测技术之后的又一项军事和民用广泛应用的光电探测技术，当今，世界各国都把紫外探测技术列为当今研究研究开发的重点课题。人类要想很好的在军事和民用方面应用紫外探测技术，关键是研制高探测率、高灵敏度、响应速度快、低噪声并且制作工艺简单易集成的紫外探测器。目前，人类在军事和民用上广泛投入使用的紫外探测器主要有：紫外真空二极管、雪崩光电晶体管、紫外光电倍增管、异质结型肖特基势垒光电二极管、成像型紫外变像管、普特莱探测器、紫外增强二极管、紫外摄像探测器和紫外固体探测器等，其中比较常用的两
14、种类型的光电探测器是：光电倍增管和硅基紫外光电管。硅基紫外光电管具有可见光响应的特点，但是这一特点在一些紫外应用方面会变成缺点，并且硅基紫外光电管的灵敏度低、还需要附带滤光片才能更好的使用，而且不能胜任高温和恶劣环境；光电倍增管在应用方面有很多的优点，例如：响应度大，响应速度快，但是他需要高的偏置电压，而且光电倍增管的体积和重量做的都很大，比较笨重、光电转换效率也比较低。这些缺点使得光电倍增管在现实的应用过程中有很大的局限性【6J。随着半导体材料理论和制作半导体材料工艺的发展，宽禁带半导体材料作为第三代半导体材料应运而生，人们开始研究考虑使用可见光响应极小的本征型材料制作紫外光电探测器。GaN
15、基材料、SiC基材料和ZnO基材料就成为受关注度最高的宽禁带半导体材料。作为第三代半导体材料的GaN属直接带隙半导体，具有很宽的直接带隙，其室温下禁带宽度达到了34eV，用它制备的探测器对波长大于365 nm的光子不敏感，这个性质使它极适用于在红外及可见光背景下辨别并探测到紫外部分，不需要滤光系统，不需要做成浅结，是制备可见盲探测器的理想材料之一。其三元合金AIGaN半导体材料，不仅具有宽禁带材料的优点，而且随Al组分的变化禁带宽度在可以从GaN的34eV连续变化到AIN的62eV，对应的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm，覆盖了地球上人气臭氧层吸收主要窗El 200“-280nm
16、，因此AIGaN半导体材料在军事和民用方面的应用就很灵活，是制作太阳盲区紫外探测器的理想材料之-71。同时，A1GaN材料其它的物理参数也比较好，比如AIGaN材料击穿电场比较高、热导率比较高、电子饱和速度比较大，介电常数小、表面复合率低、而且有很好的耐高温的性能，抗腐蚀能力强，抗高温能力强等稳定的物理和化学性质。用它制作的紫外探测器转换效率高，响应度好等，还能在高温和宇航及军事等极端条件下工作【8】。金属半导体金属(MSM)结构紫外探测器的结构为平面型、制备工艺也比较第一章绪论简单、在制作的过程中只需制作金属半导体肖特基接触无需制作p-n结、不需要进行11型和P型掺杂，不需要制作欧姆接触。制
17、作出来的紫外探测器容易获得高量子效率、高响应速度以及便于单片光电集成等诸多优点而倍受青睐，用它制作的日盲型紫外探测器具有高响应度、低暗电流、高紫外可见光抑制比、高探测率、高量子效率等特性，成为AIGaN基紫外探测器研制的首选结构之一。13国内外紫外探测器研究概况GaN的光电导特性研究可追溯到1974年。1992年MAsifKhan等人研制成功世界上第一个GaN基光导型紫外探测器，随后各种形式的GaN基紫外探测器柏继问世【16-：q。在过去的十余年中，AIGaN基紫外探测器的发展经历了以下几个阶段的发展：初始阶段主要是探索用GaN和AI。GalxN材料制作紫外光探测器的可行性，主要有美国一些公司
18、在做研究，他们不要求材料的Al组分的高低，和材料结构有多么完善，只是在探索用这些材料是否能够实现紫外波段的探测；第二阶段主要是在第一阶段知道能实现紫外波段探测的基础上，开始研究制作器件的材料结构、制作工艺等，并进行优化结构和工艺以得到高质量材料，在器件制作过程中，设计和模拟器件的几何尺寸，优化制作工艺得到高响应度、低暗电流、高紫外可见光抑制比、高探测率、高量子效率的紫外探测器；现阶段，主要研究生长出高Al组分的A1。GalxN材料，在此基础上研制出响应波长在200-280nm的紫外探测器，真正实现日盲区紫外探测。在实现日盲区探测的同时开发GaN和Al。GalxN基阵列，实现二维成像【221，为
19、下一阶段的高性能，高分辨率的二维阵列和光电集成打下坚实的基础。光电探测器根据基本工作方式不同，可为光电导探测器和光伏探测器。目前，国内外已报道的光电探测器主要形式有光导型(PC)、肖特基势垒型(sB)、pn或pin结型器件及金属半导体金属(MSM)、金属一绝缘体半导体(MIS)、光电晶体管、雪崩二极管和紫外成像阵列等。经过多年的努力，随着理论的发展、模拟技术的成熟、材料生长、掺杂、欧姆接触等制作工艺等相关技术进一步提高，器件的性能得到较大改善。131光电导探测器光电导探测器的制作方法是在半导体薄膜两侧淀积两个欧姆接触形成的，原理图如图1-l。与其它结构的光探测器相比，光电导探测器优点如下：结构
20、简单，但是有着比较高内部光电子增益；在相同光功率的紫外光照射下，光导型紫外探测器响应电流比光伏型紫外探测器的响应电流大得多，内部增益能够达到100AW以上。目前，制各响应在紫外波段且性能良好的光导型紫外探测器存在第一章绪论着很大的困难，主要因为：1、光导型紫外探测器响应速度慢，有持续光电导效应，响应时间在秒数量级；2、光伏型探测器的响应与入射光之间的变化是线性的，光导型是非线性的；3、紫外可见光抑制bt)方向14的处穿插起来就构成了闪锌矿结构。僚kO吼e戴袅 G-A氛轴电蹦o(a) Co、图2一l(a)四面体结构和(b)闪锌矿结构原包(正格子)及其代表物质，a为晶格常数化合物的化学键有共价键、
21、离子键等，IIIV族化合物半导体材料的化学键除了共价键外还存在着离子键，这是因为两种原子组成的化合物的化学键不对称_所以他们的化学键具有一定的极性，离子键的大小和它们成键的负电性有着密切的关系，负电性的大小决定了离子键的大小，负电性越大，离子键成分就会越大，它们的化学极性就越大，IIIV族化合物半导体材料的负电性与离子键的成：分的关系如表2-2所示。由化学理论可知半导体材料的基本性质是由它的化学键决定的，元素半导体由于由同种原子构成，所以它的化学键是纯共价键，元素第二章GaNA1GaN材料性质周期表中同族元素，原子序数越大，他们成键的键合能就越小，构成的半导体材料的带隙就越小，熔点也越低；有异
22、种原子构成的化合物半导体材料这一点上是基本相同，化合物组成元素的原子序数Nl，N2的和越大，他们的键合能就越小，构成的半导体材料的带隙就越小，熔点也越低，如图22所示。表2-2 111V族化合物半导体的负电性差与离子键成分III-V族化合物 平均原子序数 负电性差 离子键所占比例鑫轻图22 IV族化合物原子序数和(NI+N2)与带隙的关系由于I一V族化合物半导体材料极性的存在，它们的物理、化学性质会受到以下几个方面的影响：第二苹GaNA1GaN材料性质1通常情况下，面心立方结构的半导体晶体中，由于其几何结构的原因lll茴的面间距最大，所以这个面间的化学键键能就小，作用力小，称为解离的首选界面，
23、如锗、硅解离的时候都选用lll面。但是由于极性的存在，在111)面之间的原子时I族、V族的原予，由于是异种原子，且电性相反，就存在库仑力，这使得111)面的面间作用力变大，解离起来不容易，而在llO)面上有相同数目的异族元素构成，面与面之间的库仑力就不存在了，这样面与面之间的作用力就小的多，解离起来容易的多了，所以在极性的影响下，解离面由原来的1ll面变为(110)面。2在半导体制造工艺中，常用一些刻蚀剂来刻蚀半导体材料。对于族、V族的半导体材料，III族原子的化学活性比起V族原子原子的化学活性要弱的多，V族原子会吸引电子变成负电性，且电性很强，所以用一些特殊的刻蚀剂刻蚀时，V族原子构成的面刻
24、蚀速度要快的多。所以由于极性的存在，I族、V族原子构成的面刻蚀速度不同，也常用此方法来区别这两个面。3为了表达方便，通常把由族原子构成的面称作A面，把由V族原子构成的面称作B面。我们在生长晶体的时候，假设按111方向生长，A面和B面上的化学键不同，在B面上是四面体键，四面体键是一种很稳定，且作用力挺大的一种化学键，所以在B上生长晶体，四面体键的负电性比A面上的大的多，生长的晶体点缺陷，层错会大大的降低，生长出的单晶质量比较好。但是在有些晶体生长过程中，例如在生长GaAs单晶时，上面的这种现象就不会出现，沿方向和方向生长出的单晶质量是一样的，说明这种影响不是普遍的。晶体的生长过程是一个非常复杂的
25、相变过程，我们要想很好的控制晶体生长的质量，弄清楚极性对晶体质量的影响，要做大量的试验，探索，研究才能实现。4在制作半导体晶片的过程中，因为极性的存在，要想精确的控制层厚度就不容易了，他会对层面产生损伤，在晶片的表面产生凹凸不平。2i3 GaN和A1GaN材料性能简介231 GaN材料简介GaN作为第三代半导体材料，属直接带隙半导体，具有带隙宽的特点，其室温下禁带宽度为34eV，用它制备的探测器对波长大于365nm的光子不敏感。这个性质使它极易使用于红外和可见光背景下辨别并探测到紫外部分。同时，GaN基材料还具有击穿电场比较高、热导率比较高、电子饱和速度比较大，介电常数小、表面复合率低、而且有
26、很好的耐高温的性能，抗腐蚀能力强，抗高温能力强，等稳定的物理和化学性质。用它制作的紫外探测器转换效率高，响应度14-4GaN材料在20世纪中叶就得到了广发的应用，他的物理和化学性质相当的稳定，在室温下，不溶于水、碱和酸。要想使GaN离解，即使在真空中温度也要达到1270K以上，GaN的带隙宽度与温度之间的关系如式2-2所示：历(LK)=350550810-4T2(996-r) (22)GaN材料在制作过程中由于与衬底的晶格失配，引起的位错密度很高，可达108cm-2以上，但是由于GaN本身结构的特点，它可以克服这种不利的影响，例如有文章报道的用存在位错的GaN材料制作的发光二极管和激光二极管，
27、寿命不仅可达到104h以上，而且还没有出现退化现象，正好说明了这一点。GaN在300K时的一些基本参数如表23所示。表2-3 GaN在300K时的基本参数项目 纤锌矿结构 闪锌矿结构德拜温度l(密度，(gem-3)静态的介电常数高频的介电常数有效电子质量(m0为单位)重空穴轻空穴毹带劈裂电子亲和势eV晶格常数nmIj|隙和电特性带隙eV击穿电场(Vcmd)电子迁移率(cm2V-Is。)空穴迁移率(cmLVqS。1)电子扩散系数(cm2-s1)空穴扩散系数(em2s。1)电子热速度(mS1)325106510003502593210595104bJ3B323蠖甜吼iLm仉禾H鲫!耋聃萋呦吣一一呲
28、姗一鲫笱5；第二章GaNAIGaN材料性质232 AIGaN材料简介A1。Ga】xN材料的性质因X值不同而有很大的不同，第五章中详细介绍了在蓝宝石衬底上，利用MOCVD方法生长AIGaN材料，用三甲基镓作为镓源，三甲基铝作为铝源，氨气作为氮源，氢气作为载气。先生长一层AIN缓冲层，再生长Alo 外延层。生长完成后，对生长的样品进行原子力显微镜、x射线6Ga04N衍射(XRD)、透射谱光谱仪、光致发光谱(PL谱)等测试，详细分析了Alo6Gao4i,I材料的性质，详细分析见第五章。第三章A1GaN外延材料生长第三章AIGaN外延材料生长31 MOCVD外延技术简介金属有机化学汽相沉积MOCVD(
29、MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)工艺是发展时间很长、很成熟的一种半导体材料生长技术，它是在气相外延生长(VPE)技术的基础上，经过改进发展起来的一种新型半导体材料生长技术，MOCVD技术经常生长的半导体材料包括：IV族化合物半导体材料、II族化合物半导体材料以及由他们混合生长的多元单晶材料。金属有机化学汽相淀通过用热分解的方法在衬底上进行外延生长，生长原料一边采用II族、I族元素的有机化合物、v族元素的氢化物等。以金属有机化学汽相沉积MOCVD生长A1GaN外延材料为例，原料是用三甲基镓(TMGa)和三甲基铝(TMAl)作为Ga源和Al源，以NH3
30、作为N源。近几年，随着仿真软件的、机械制造、自动化等领域的迅猛的发展，人们设计了更为先进的外延生长设备，例如能够旋转基片的反应室，能够检测生长厚度的检测装置等，使得外延技术有了很大的突破，能够生长出晶格更加匹配，平整度更加完美的外延材料，这为器件乃至集成电路的发展打下了坚实的基础。金属有机化学汽相沉积MOCVD与其它外延生长技术相比，例如分子束外延(MBE)，它不仅生长的设备简单，在生长过程中操作简单，还容易实现大规模的批量生长，并且生长出的半导体材料不仅界面陡峭而且还能生长出超薄层的半导体材料，所以MOCVD外延技术有更广阔的使用价倒。除此之外，MOCVD还具有以下优点：1、生长用的原料和掺
31、杂剂等都是气态形式进入反应室的，因此在生长过程中容易控制；2、生长过程中用到的固相组分与气相组分是直接对应的，因此，在生长过程中我们要想控制材料的参数如：外延层的厚度、组分、载流子浓度、导电类型等，只要我们通过进行简单的操作来精确控制气流量就能精确控制材料参数。并且在生长晶体的过程中我们是用热刽解方式，在单温区内进行的，所以精确控制气流量不仅能控制材料的上述参数还能很好的控制生长速率。还可以精确的控制气体的流量和原料的组成来生长超薄层和多层结构的外延材料，我们也可以把缓冲层做的很薄并能保证质量很好，能减少缺陷密度和晶格失配，还可以把掺杂分布做的很窄、很陡直等来满足当前复杂器件的高要求。MOCV
32、D外延生长工艺不仅简单易操作，而且生长出的外延半导体材料厚度均匀、表面平整、组分均匀、能生长出面积大而且参数良好的外延片，并且能够实现一次多片生长，非常适宜大批量生产，使成本降低，为制作出来的器件增加市场竞争力。MOCVD反应原理图如图31所示。第三章A1GaN外延材料生长於鼍裳长曩盛塞蓉麓 l I气素漂供雏系统 J - 承删I 蜜- II null化 应加幕统|r。 _舅翱露摹嚣l：=：二寸。篙； -_一-I-I-JL L_ 置一 I_ JIL叫磁卜空裘 空泵- - - 预盏鬣) 主鬣)O薄供给系统 真空系统31 OCVD反应原理示意图2 1GaN外延材料结构设计用ATLAS和ISE等商业半
33、导体器件模拟软件进行材料结构设计，模拟各不同材料层搭配、不同层厚和组分条件下器件性能，分析各类因素的影响关系，化结构参数。在材料结构设计过程中涉及的关键性问题较多，最突出的有两个：、A1GaN基MSM结构紫外探测器材料结构设计问题。包括衬底的选择、冲层材料选择和厚度设计(AlN或GaN)、A1GaN吸收层Al组分和厚度设计、护层材料选择和厚度设计(Si02或Si3N4)。通过理论分析和器件模拟进行设计；、高Al组分AIGaN材料外延生长技术。AI组分需要达到40以上，才能现日盲区紫外探测。制备高铝组分无缺陷AIGaN材料尚属世界难题。我国高l组分AIGaN OCVD外延已有突破性进展。采用低温
34、缓冲层和其它特殊技术解决该问题。步设计材料各层厚度和Al组分如下所示，可根据进一步的模拟结果、外条件和工艺条件进行调整。第三章A1GaN外延材料生长Si02或Si3N4保护层，1 50nm非掺杂AIo6Gao4N激活层(吸收层)，300nmA1N缓冲层，200rim蓝宝石衬底313 A1GaN外延材料的生长MOCVD生长工艺步骤大致如下：蓝宝石衬底的化学清洗弋夕蓝宝石衬底的装入|l弋夕抽真空弋夕蓝宝石衬底的原位清洗之多AIGaN夕I,延材料的生长之多AIGaN#b延片的取出331蓝宝石衬底的化学清洗在本实验中衬底采用(0001)C面蓝宝石。蓝宝石衬底的表面是否平整，洁净度是否好都会直接影响着外
35、延材料的晶格失配，缺陷浓度等性能，所以在生长才前必须清洗干净。为了在生长AIGaN夕F延层之前确保衬底的洁净度，我们在衬-19-第三章A1GaN外延材料生长底装入外延设备之前清洗一次，在装入设备之后再清洗一次。装入之前的清洗步骤如下：去蜡(用沸腾的1：l混合的浓硫酸与双氧水中煮沸15分钟)一去有机物(在氨水：双氧水：去离子水比例为1：1：5的混合溶液中，80。C温度下煮16分钟，完成后取出蓝宝石衬底用去离子水冲洗干净)一去氧化物(在浓度为10的氢氟酸溶液中浸泡15分钟，取出后用去离子水清洗蓝宝石衬底表面)一去无机物(蓝宝石衬底在80温度下，盐酸：双氧水：去离子水比例列1：l：5的混合溶液中煮1
36、5分钟，完成后取出用去离子水清洗蓝宝石衬底表面)一最后为了去除表面的氧，使蓝宝石衬底表面为富氢表面，将蓝宝石衬底浸入氢氟酸溶液中15分钟左右。清洗完成后，不能使衬底在空气中暴漏时间太长，重新受到污染，必须迅速打开外延设备的外罩，把蓝宝石快速的放到反应室的样品托上，把外罩迅速盖上，并打开真空泵将密闭反应室抽成真空状态，以免受污染。外延材料是在1000左右的温度下生长的，在蓝宝石衬底表面极易形成钝化，所以蓝宝石衬底应加热至1 100C保持15分钟，去除蓝宝石衬底在装载过程中可能形成的钝化层。完成后即可进行A!GaN外延材料的生长。33；2外延生长MOCVD反应系统的反应室有以下几种如图32：桶式反
37、应室、立式反应室、!旋转盘式反应室、水平式反应室、扁平式反应室等。本实验中，MOCVD反应系统的反应室为水平式反应室。D气体人口 曩式反应誊气体人口 0捧空国 承平式爱应宣立式反斑童气体A日 0气体人口 9图3-2几种常见的反应室结构图麓转式反盘童捧空囊乎式反应宣第三章A1GaN外延材料生长系统中，源供给系统有气态源和液态源两种，液态源用恒温槽来进行恒温控制，温度控制范围为15100。衬底加热系统采用高频感应加热，温度可连续的从0调节到1260。生长过程中分别以三甲基镓(TMGa)和三甲基铝(TMAl)作为Ga源和Al源，以氢气(H2)作为载气，以NH3作为N源，N2作为环境气体，n型掺杂剂采
38、用sil-14、NH3、N2、H2。为了使蓝宝石衬底预热并且表面洁净好，且富含氢，更容易生长高质量的外延材料，应首先蓝宝石衬底应在高温H2环境下预处理，之后接着生长高温A1N缓冲层，然后在缓冲层上生长A IGaN外延层，生长温度在10001200。C范围内， 生长压力控制在3 X 103Pa-3 X 106Pa范围内。具体生长过程如下：l、调节生长温度，使温度调节在生长缓冲层的温度范围，打开氢气、氨气、氮气阀门和减压阀门，调节流量计将反应气体氮气、氨气、氢气的流量设定在设计好的范围内，使他们进入反应室进行AIN缓冲层的生长。2、AIN缓冲层生长lO分钟，结束后把温度调节到生长外延层的温度，先保
39、持此温度15分钟进行预热，然后进行AIGaN外延层的生长，生长时间控制在3050分钟之间。3、AIGaN外延层生长结束后，将所有气体阀门关闭，再将减压阀门关闭，最后把流量计的流量调为零将反应气路切断，关掉加热系统电源停止加热。4、为了将反应气路和反应室的反应气体排出于净，以高纯度的氮(99999)冲洗气路，保证所有的气体排完为止。5、取样品时，等到反应室的温度降到室温，再打开反应室外罩取出外延片，放入表面皿中，再将表面皿放到干燥器中防止受潮，准备测试。生长的材料结构如下图33所示：AIGaN#,延层(300nm)AIN缓冲层(200nm)蓝宝石衬底图33生长的外延材料结构及各层厚度34 A1G
40、aN外延材料的测试生长A1GaN外延材料过程中，通过控制反应室生长压力、IIIV族原子比、第三章A1GaN外延材料生长生长时间、生长温度等工艺条件，并对工艺条件进行优化，生长出高质量的AlN缓冲层和高铝组分的A106Ga04N外延层。生长完成后，对生长的样品进行原子力显微镜、X射线衍射(XRD)、透射谱光谱仪等测试，考查材料质量。341原子力显微镜测试原子力显微镜(AFM)是一种利用原子，分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它能和好的看出我们生长的外延材料的表面的jl，整度和粗糙程度等，原子力显微镜结构原理图如图34所示。图34原r力显微镜结构原理图图35是在原子力显微镜下
41、照片，从图片显示可以看出材料表面平整度较好，AIN缓冲层和Alo 6Gao 4N外延层的粗糙度分别为8480和1103nm。； 篾lX |t引a摹；馘4麓图3-5 A1N和AIo 6Gao 4N在原子力显微镜下的照片-22-第三章AIGaN外延材料生长342 X射线衍射(XRD)I贝,q试X射线衍射(XI)是检测外延材料结晶学特性的试验技术。AIGaN是在衬底材料上进行异质外延的，AIGaN外延层与衬底晶体间存在较大的晶格失配、热失配，难以获得高质量的半导体单晶膜，因此，分析和测试外延层的结晶学特性根重要【481。X射线衍射(XRD)I受J量特别适合测量结晶学特性。在本实验中X射线衍射(xRD
42、)实验设备我们采用日本Rigaku Rotanex DmaxC多晶转靶XRD系统。实验中辐射源选用Cu靶，x射线经过025nm的狭缝和石墨单色器后，获得CuKa：(入=O15406nm)辐射入射到样品上，衍射束经过Sol ler狭缝后进入探测器。AIN缓冲层和Alo6Gao41,1外延层X射线衍射(XI王D)Y,d试结果如图3-6所示。从测试结果可以看出AINu(002)面扫描半宽为96”，AIo6Gao4N(002)扫描的半高为171”，0)(002)面扫描半宽为250”。一34 50034 0_33 500_33 O一32 5_32 O“P)(毫)触N一3 一l 5 0 l 5蝴(”)b)
43、娜“趣淤图3-6 AIN和Alo 6Gao4N XRDto(002)面的双晶衍射测试结果第三章A1GaN外延材料生长343透射谱测量透射谱测量是测量材料对不同波长的光吸收能力，从材料的透射谱我们可以看出材料制作成器件后的对那个波段的光响应，截止波长在什么位置等重要信息，以便验证我们在制作器件过程中的工艺条件选取的是否恰当，从中找出不足之处进行优化。图37和图38是AlN的透射谱和Alo6Ga04N外延材料的透射谱。从透射谱可以看出AIN对应的带边截止波长为205nm，AIo,6Ga04N对应的带边截止波长为276nm，带边非常陡峭。1086、舞囊4H2O2 3400期0 600 700九图37
44、AIN的透射谱400 380 320 280 2柏200丸，nm图3-8 A1GaN外延材料的透射谱以上测试分析说明外延材料晶体质量良好，材料表面平整度较好，有陡峭的截止边，响应范围在200276nm，在日盲范围内。24-Ola髓蛐星第四章A1GaN基IdSM结构日盲型紫外探测器的工作原理第四章A1GaN基MSM结构日盲型紫外探测器的工作原理制作AIGaN基MSM结构日盲型紫外探测器的关键是制作高质量的金属半导体肖特基接触。最早对金属半导体系统性研究要归功于Braun。到了1931年，Wilson基于固体能带论，阐明了半导体输运理论241，该理论随后被用于金属半导体基础中。1938年，Scho
45、ttky提出势垒可仅由半导体中稳定的空间电荷产生，无需存在化学层【251，由此设想得到的模型称为肖特基势垒。1938年，Mott针对Sweptout型金属半导体接触提出了更为适当的模型，称为Mott势垒26】。这些理论在1942年被Bethe进一步完善，称为准确描述电子行为的热电子发射模型口p。由于金属半导体接触在直流、微波应用及作为其它半导体器件的组成部分等方面的重要性，已得到了，“泛的研究，特别是金属半导体接触被用来制作光电探测器、太阳能电池及MESFET的栅电极等的研究。4 L1金属半导体金属光电探测器的工作原理411金属一半导体金属光电探测器简介金属半导体。金属光电探测器(MSMPD)
46、由于自身的优点所以得到了快速的发展，MSMPD的特点概括起来有以下几点【28：l、平面型结构。APD，PIN，和MSMPD的结构如图41所示，通过比较可以看出，MSMPD的电极从上面引出来，构成了平面型器件。它不仅制作工艺简单，而且生长材料，器件制作工艺和封装工艺等全部过程可以与FET-IC工艺相互兼容，以便于单片集成制作光电接收放大器。TET和MSMPD单片集成的例子如图42所示，单片集成化由于所有电路都制作在同一芯片上，且封装起来，不仅可以不受外界环境的影响，防止电路短路等提高器件和电路的可靠性，而且单片光电子集成的探索和发展可以为以后的发展打下深厚的工艺基础。2、速度快。因为MSMPD器
47、件的结构原理上相当于两个背靠背的肖特基二极管串联，工作时，一个二极管正偏，另一个就会反偏，总有一个会处在反偏状态下，所以MSMPD器件的本征电容小，并且随着电压的增加，本征电容变化不大。PIN和MSMPD结构器件的电容随电压变化的关系曲线图如图43所示。从图中可以看出，面积相当的PIN和MSMPD相比较，MSMPD的电容要远远小于PIN的，而且基本上不随偏压变化而变化。除此之外，MSMPD器件为金属半导体接触型器件，串联电阻小，没有少子效应，RC时间常数也小。它的响应速度快，主要是因为他的速度主要有光生载流子在两个电极之间的渡越时间决25第四章A1GaN基MSM结构日盲型紫外探测器的工作原理定
48、的。3、适宜做成阵列探测器。金属一半导体一金属(MSM)结构因其平面型、制备工艺简单、无需制作p-n结、避开掺杂和欧姆接触等问题便于单片光电集成制作阵列探测器。而在光线通信中的波分复用(WDM)光纤通信中有着广泛的应用，在其它阵列探测技术中MSMPD也是是非常重要的。表41给出了不同结构器件的光电探测器器件性能比较。表41 APD，PIN，和MSMPD结构光电探测器性能比较PIn6aAsl鹣lnP+ 同同同FInGaAsl瓣pMSM VPD图41APD、PIN和MSMPD的器件结构示意图nGaAS非掺杂GahsGaAs图42 FET和MSMPD单片集成结构示意图iNP驺第四章AIGaN基MSM结构日盲型紫外探测器的工作原理图4-3 PIN和MSMPD器件电容比较4j12金属半导体金属光电探测器的工作原理MSM型结构的紫外探测器是在高阻半导体材料上淀积两个叉指肖特基接触形成的，典型的器件结构如图4-4所示。在MSM结构探测器上加偏置电压时，原理上相当于是两个背靠背的肖特基势垒二极管如图45所示，无论那一侧加正电压那一侧加负电压，总有一侧处在正向偏置状态，而另一侧处在反向偏置状态。电极 电极 电极 电极 电极势垒增强层光吸收(有源)层衬底图4-4AIGaN基MSM结构探测器器件结构横截面(a)和俯视
