PIN结构GaN光电探测器性能的研究.docVIP

太阳能光电工程学院 《PIN结构GaN光电探测器性能的研究PIN结构GaN光电探测器性能的研究 2 第一章 GaN基pin型探测器 3 1.1 pin型探测器工作原理 3 1.2 量子效率及光谱晌应 6 1.3 瞬态响应 7 1.4 GaN基pin型探测器研究现状 8 第二章 Ga基pin型紫外探测器的研制 9 2.1 GaN基pin型探测器分析 9 2.1.1 GaN材料p诅紫外探测器 9 2.1.2 pin紫外探测器分析 9 2.2 材料生长及器件制作 11 2.2.1 材料生长 11 2.2.2 版图设计 12 2.2.3 器件制备 13 3.1 暗电流 13 3.2 光电流 14 第四章 GaN基pin型紫外探测器高温电气性能 16 4.1 不同温度下I—V性能测试及分析 16 4.1.1 测试系统的建立 16 4.1.2 测试结果处理及分析 17 4.2 不同温度下C-V性能测试及分析 17 4.2.1 测试系统的建立 17 4.2.2 测试结果处理及分析 18 结论 18 参考文献 19 绪 言 半导体紫外探测器体积小，性能稳定，使用方便。利用现己成熟的硅或III．v族化合物半导体工艺技术，研制开发廉价，高效的宽带隙半导体紫外探测器，对于国防和国民经济建设都具有重要的现实意义。虽然硅基半导体紫外探测器技术比较成熟，但在太阳辐射背景下运行，需配置笨重的带状滤光器，且耐高温、耐腐蚀特性较差。随着宽带隙半导体PIN结构GaN光电探测器PIN结构GaN光电探测器 为了提高响应速度，方法之一是加大反向偏压，加宽耗尽层，使耗尽区与吸 收区尽量一致。然而，增大反向偏压是很有限的，最好的方法是减少N区的掺 杂浓度，使该区几乎达到本征半导体的状况，这就是下面将要介绍的pin光电探 测器。即在P区和N区之间以轻掺杂施主杂质形成近乎本征(I)区。图2，2表示了 pin光探测器的原理结构和其内的电场分布。 限制pin光探测器响应速度的主要因素有：①载流子横跨耗尽层的漂移时间；②载流子从非耗尽层区扩散所需时间；③对pm探测器本身的电容和其它寄生电容的充放电时间；④具有异质结结构的pin探测器在异质界面处存在的电荷积累。其中载流子的渡越时间的影响是主要的，它取决于本征区的宽度矽和载流子的漂移速度V。如果本征区太宽，光生载流子在该区的渡越时间t，=W／V较长而影响响应速度；如果本征区太窄，又会使光的吸收区超出本征区，而本征区以外的区域不能产生有用的光电流。载流子的漂移速度受本征区内电场控制。 从渡越时间考虑，薄的本征层可获得高的响应速度。然而，随着本征层厚度的减少，探测器本身的电容C增加，因而影响响应速度的另一因素一时间常数 r=RC将增加(R为欧姆接触电阻和外加负载电阻之和)。C可表示为 式中为比例常数(对硅取占，=11．7)，A为结面积。合理选 择s，和形，可使结电容c达到lpF。而如果有良好的欧姆接触和选择适当的负载 电阻，RC时间常数将不会成为响应速度的限制因素。 1.2 量子效率及光谱晌应 对于一个实际的光电二极管来说。入射光功率P中的一部分一在空气中与 光电二极管的界面上被反射掉。同时在耗尽区内被吸收的光子数与耗尽区的宽度 W以及随波长变化的光吸收系数铴(丑)有关。因此，假如忽略光在表面P区的吸 收，则量子效率，7为： 为了提高，耗尽区必须足够宽以保证直接带隙半导体合金在光子能 量超过禁带宽度时的吸收系数超过，因此只要有几个微米的耗尽区宽度W就可以吸收几乎全部的入射光。 对大多数适合于制作光电二极管的半导体材料来说，由于空气(na=1)与半导体(n；=3．5)之间折射率的突变，将导致在垂直入射情况下的费涅尔(Frenel)反射系数r=0．3。在光电二极管表面沉积上一层适当的透明抗反射膜可以使这种反射几乎完全消除，否则费涅尔反射将使光电二极管的量子效率玎的最大值低于70％左右。抗反射膜韵折射率应选取为，氮化硅的折射率n介于t．8～2．0之间，可以用作抗反射膜；其厚度必须相应于光在介质中波长的四分之～。光在耗尽区外的吸收将使器件的量子效率降低，因为在耗尽区外激发的载流子必须先扩散到耗尽区，才能对光电流有贡献。 将P区或坩区制成对入射光透明,则可以消除光在全耗尽j区外的吸收。这 一点可以应用晶格匹配的半导体合金，将光电二极管设计为具有宽带隙材料的 “窗口”层来实现。这一层宽带隙材料可以作为P区，也可以作为区。与载流 子在自由表面的复合相比，载流子在这种品格匹配的异质结界面上的复合是可以 忽略的。 对于使用者来说，光电二极管的响应度比量子效率更为重要。 前者是光电流与入射光功率P之比值。响应度通过入射光子的能量与波长有关，它与量子效率的关系可以写成 其中h为普