邢大林，赵曼，唐亮，王嘉，李健

(1.吉林市计量测试技术研究院，吉林 132013；2.空军航空大学 特种专业系，长春 130022)

紫外光电探测器是短波光电器件研究领域的热点。这主要是由于其应用范围非常的广泛。紫外光电探测器被称作是21世纪“电子战”的重要武器，尤其是在军用方面红外探测与反红外探测的研究较为成熟，更加凸显了紫外探测器研究的紧迫性以及对国防建设的重要性。此外在民用方面，它可以被应用到火灾探测、水银消毒等方面。由于半导体材料研究的较为成熟[1-3]，因而人们采用半导体作为紫外探测器的制备材料。目前，氮铝镓(AlxGa1-xN)半导体合金成为了紫外探测器的首选，这主要是因为AlxGa1-xN合金薄膜具有如下的优点：(1)直接带隙半导体材料。(2)大的带隙，从 3.4～6.2eV之间连续变化，覆盖整个紫外波段。(3)强的抗辐射性、耐腐蚀性。这些优点使AlxGa1-xN合金薄膜更加适合制备复杂的器件[4-9]。

紫外光电探测器的金属-半导体-金属(MSM)叉指电极结构是由两个背靠背的 Scottky二极管组成，它具有制作简单、暗电流小、响应度大、响应时间快等优点，是目前紫外光电探测器主要采用的结构之一。众所周知，对薄膜进行热退火处理，可以提高薄膜的晶体质量，同样对二极管器件进行热退火处理可以降低器件的暗电流[10]。因此，本文通过对AlxGa1-xN探测器进行热退火处理的办法，降低其暗电流并对退火条件下器件的其它参数进行了分析。

1 实验

本实验分别采用三甲基镓(TMGa)和三甲基铝(TMAl)作为Ga源和Al源，载气选用(99.999%)H2。首先，蓝宝石衬底上生长高质量的1m厚度的GaN薄膜，之后生长 A1N缓冲层，生长温度为1373K，生长时间约为30s，生长的缓冲层的厚度约为10nm。之后进行AlxGa1-xN合金薄膜层生长，引入Ga源和Al源，合金薄膜的生长时间为1h，其中Ga源和Al源的流量分别为30sccm和8sccm。图1为AlxGa1-xN合金薄膜生长模型图，经过电子能谱分析得到合金薄膜中 Al的组分为0.25。之后，我们选用高纯(99.999%)Au作为金属电极，通过热蒸发的方法制备得到的电极的厚度约为50nm。采用紫外曝光和湿法刻蚀的方法，制备平面的MSM叉指电极结构，电极叉指宽度为5m，电极叉指长为500m，电极叉指间距为5m。

图1 AlGaN合金薄膜生长模型图Fig.1 Structure of AlGaN alloy film growth model

器件响应度的测试选用 150W 的氙灯作为光源，光源经过单色仪和单色仪前的凸透镜照射到器件上，并通过锁相放大器提取电压信号。所有的Al0.25Ga0.75N肖特基结构紫外探测器的测试，都采用标准的Si基紫外光电探测器进行标定。器件的暗电流则是通过 Keithley 4200型半导体分析仪测试得到。器件的响应时间光源选用脉宽为10ns的266nm Nd-YAG激光器。

2 结果与讨论

退火是提高器件性能一个强有力的手段，首先可以减少表面态缺陷密度，降低暗电流，其次也可以改善金属电极与薄膜的接触，当然同时也可以提高薄膜的晶体质量，释放掉一定的内部应力。根据肖特基势垒理论，势垒的高度由接触金属电极的功函数和半导体薄膜的电子亲和能的差确定。但一般来说，Al0.25Ga0.75N薄膜表面存在约2nm左右的自然氧化层，而且金属与半导体的实际接触与理论有一定的差别，往往受到温度、表面态等因素的影响。根据J.A.Chisholm[11]等人报道的结果，我们在制备金属接触电极的时候，一些Au原子将会以填隙杂质形式存在于半导体薄膜当中，这必将导致薄膜中出现一些缺陷，致使金属与半导体的接触势垒降低而暗电流偏大。图2为Al0.25Ga0.75N探测器在管式炉中N2气氛下退火10min的暗电流I-V曲线，退火的温度条件分别是： 773，873，973，1073K及室温条件。

图2 不同退火温度下Al0.25Ga0.75N MSM结构紫外光电探测器暗电流I-V特性曲线Fig.2 I-V curves at different annealing temperature of the Al0.25Ga0.75N MSM photodetector in dark

从图2可知，在退火温度为973K时，器件的暗电流最小，20V偏压下达到300pA。这说明在一定的温度条件下，以填隙杂质形式存在的Au原子可以从外界获得足够的能量，去填充Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的N空位、Al空位或者是Ga空位，在合金薄膜中形成替代式杂质。我们知道AlxGa1-xN是一种半导体合金薄膜，间接说明在薄膜中必然存在着一定的电子浓度，绝大多数研究人员认为其导电性是由 N空位造成的。所以我们认为薄膜中的填隙Au原子主要用来填充N空位，这样N空位被替代式杂质所取代，所以薄膜中的深能级缺陷将减少，这样就会在一定程度上提高器件的性能，如降低暗电流，提高电子与空穴的分离效率等。值得一提的是退火温度达到1073K时，器件的暗电流反倒增加。这主要是由于表面的N空位被Au原子填充达到饱和后，由热扩散进入Al0.25Ga0.75N合金薄膜中的Au原子又将以填隙杂质的形式存在，所以使器件的暗电流增加。

图3 不同退火温度下器件的响应度。插图为器件在室温条件下1V偏压下的响应度图谱Fig.3 The responsivities of the device at different annealing temperature.The inset shows the responsivity spectrum of the device at room temperature

图3的插图为器件在室温1V偏压下的响应度图谱，可以看到器件响应度的最大值为0.07A/W，峰值的波长为308nm。经过退火后，可以看到器件的响应度明显的增加。当退火温度为1073K时，器件在1V偏压下响应度最大值达到3.25A/W。理论上来说，具有结型的器件一般是没有增益现象的。但是根据我们的经验判断，如果结效应不是特别强，也会出现一定的增益现象。我们首先假定在没有增益的前提条件下，探测器的极限响应度公式可以表示成为[12]：

其中S为器件的叉指间的距离，W为每个叉指电极的宽度，通过计算得到 Rlimit值为0.180A/W，而器件在没有退火测得的响应度的值为0.07A/W，所以我们判定器件中存在着一定的增益效应。由于Al0.25Ga0.75N薄膜与衬底的晶格结构不匹配，必然在薄膜中存在着一定的缺陷密度，其中就存在着大量的空穴陷阱。而又由于电极与半导体接触的势垒内电场不足够高，被俘获的空穴就会从半导体一侧吸引电子以维持体内的电平衡，但又会在内电场的作用下被吸引走，而被俘获的空穴由于有效质量较大不会被轻易扫走，并且会不断的吸引电子，所以器件中会长时间存在通过电流，直到被俘获的空穴被吸引的电子中和掉为止，因此这就在一定的程度上延长了空穴的寿命，所以器件中会出现一定的增益现象。

图4 973K和1073K退火后Al0.25Ga0.75N紫外探测器的响应时间谱。插图为未退火器件的响应时间谱线Fig.4 Response time spectra of the Al0.25Ga0.75N UV photodetector after 973 and 1073K thermal annealing.The inset shows the response time spectrum of the device without annealing

图4为973K和1073K退火温度下器件的响应时间谱线。插图为1V偏压下未退火器件的上升时间为10ns，下降时间为190ns(10%～90%)。在退火温度为973K时，缩短了器件的响应时间，下降时间为110ns。在退火温度为1073K时，下降时间为2.3s，器件的响应时间被大大的延长，进一步说明器件中存在着一定的增益现象。

3 结论

我们采用MOCVD的方法在Al2O3衬底上制备了MSM结构的Al0.25Ga0.75N紫外光电探测器，并分析了不同退火温度条件对器件性能的影响。器件在经过1073K的温度退火后，响应度得到了一定程度的提高，1V偏压下在308nm波长处，响应度的峰值达到3.25A/W，器件中存在着增益现象，但响应时间和暗电流都有所增加。但当退火温度为973K时，器件的暗电流在20V偏压下为300pA，而下降时间为110ns，远小于1073K退火时器件的下降时间2.3s。因此我们的下一步工作目标就是既提高器件的响应度又提高器件的响应时间。

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