《炬丰科技-半导体工艺》 蓝宝石上的非极性氮化镓紫外光电探测器
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：蓝宝石上的非极性氮化镓紫外光电探测器
编号：JFKJ-21-1156
作者：华林科纳
蓝宝石上使用了非极性a面(112–0)氮化镓,为了制造紫外线光电探测器与以前使用相同晶体结构的器件相比，性能有所提高,特别地，在5V偏压下340毫安/瓦的响应度是所报道的α-氮化镓/γ-蓝宝石薄膜的最佳性能。认为氮化镓的高热稳定性、高抗辐射和其他特性为空间通信、火焰传感器、大气臭氧检测、生物光子学和电磁偏振敏感检测等应用提供了高增益和高速紫外光检测。正常情况下，氮化镓生长在极性c面方向，其中化学键的电荷极化导致应变相关的自发电场，从而影响器件性能。其他方向，如a面，通常包括在独立式或块状氮化镓衬底，比c面蓝宝石贵得多。在r面蓝宝石上生长可以得到a面材料，但是得到的外延GaN通常质量较差。
利用等离子体辅助分子束外延技术在r面蓝宝石衬底上生长非极性a面氮化镓。生长从490℃氮化和低温530℃氮化镓缓冲开始。进一步在745℃下进行聚酰胺-胺电泳，得到631纳米的氮化镓层。根据卢瑟福背散射分析，原子组成为51%镓和49%氮。
x光分析表明这种材料几乎没有应力。根据x射线摇摆曲线峰值宽度，螺纹位错密度估计为8x109/cm2。研究人员声称，与通过其他技术在r面蓝宝石上生长的非极性GaN相比，该材料具有最低的位错密度和最窄的峰宽。这些其他技术倾向于给出1010/cm2或更大的穿透位错密度。
光致发光给出了窄的近带边缘峰值在3.39电子伏，从无应变氮化镓(3.40电子伏)红移10电子伏。在黄色(2.2eV)和蓝色(3.0eV)波段也有低强度的宽峰。黄色发射通常与缺陷有关。蓝色发光归因于束缚在中性供体上的激子(电子-空穴对)的离解。强烈的窄带边缘发射以及低强度的缺陷带表明氮化镓层具有优异的光学质量(意味着低密度的天然缺陷)。
根据拉曼分析，氮化镓层的表面具有两个小平面的三角形岛状结构，这导致了低应力。
紫外光电二极管是通过沉积和图案化150纳米厚的金触点来制造的，金触点间隔60米，以给出金属-半导体-金属的几何形状。在5V偏压下，暗电流为1.5 A(图1)。相对较大的暗电流“表明存在漏电，这可能与外延层中的扩展缺陷有关(极有可能是NP氮化物膜中的基面堆垛层错)。”
图1(一)氮化镓钯在黑暗和光照条件下的电流-电压曲线。插图:制作的紫外局部放电示意图和光学图像。金/氮化镓结的能级图，显示了紫外光照射下的电荷转移。与目前325纳米以下的激光照明差别很小。认为忽略缺陷状态可能是原因。以10秒的时间间隔打开和关闭激光器可以提高响应速度(图2)。图2(一)在325纳米光照下，不同偏压下氮化镓紫外灯的时间相关光响应 (b)响应度和探测率相对于偏置电压的变化。
在50mV和5V偏压下，导通电流分别为2.53安和74.49安。光功率密度为13mW/cm2，测量在室温下进行。5V偏压的响应为340毫安/瓦。光电流的如此显著增强可归因于电荷产生超过电荷复合的优势，从而随着偏压的增加产生更多的电荷载流子。
此外，偏置电压越高，将增强光激发载流子的收集，这导致光电流增加。5V偏置下的噪声等效功率(NEP)为2.4x 10–11W/√Hz，低于硅光电二极管。对应的比探测率品质因数为1.24×109琼斯，比探测率与国家环境政策成反比，同时归一化器件面积和频率带宽的影响。在3V偏压下获得了1.42×109琼斯的较高灵敏度。这些获得的响应度和探测率值是最高的报告值，超过了使用蓝宝石衬底上的外延NP GaN薄膜，与氧化物、SiC等其他材料制成的UV PDs相当。5V偏置下的上升和下降时间，分别为280毫秒和450毫秒。较长的下降时间归因于光生载流子密度衰减的延迟。
与之前以秒为单位显示响应时间的报告相比，我们的检测器产生的响应时间约为毫秒级。由于采用了低陷阱密度、高结晶度的氮化镓薄膜，这种高速和增强的光响应是可以想象的。
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