结构参数对GaN肖特基紫外探测器性能的影响及器件设计

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1、万方数据第30卷第6期2009年12月发光学报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVoL30No．6Dec．，2009文章编号：1000-7032【2009)06-0824-08结构参数对GaN肖特基紫外探测器性能的影响及器件设计周梅1，赵德刚2+(1．中国农业大学理学院应用物理系，北京100083；2．中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京100083)摘要：研究了GaN肖特基结构(n一·GaN／n+一GaN)紫外探测器的结构参数对器件性能的影响机理。模拟计算结果表明：提高肖特基势

2、垒高度和减小表面复合速率，不仅可以增加器件的量子效率，而且可以极大地减小器件的暗电流；适当地增加n一一GaN层厚度和载流子浓度可以提高器件的量子效率，但减小n一．GaN层的载流子浓度却有利于减小器件的暗电流。我们针对实际应用的需要，提出了一个优化器件结构参数的设计方案，特别是如果实际应用中对器件的量子效率和暗电流都有较高的要求，肖特基势垒高度应该≥0．8eV，n一．GaN层的厚度，>200am，载流子浓度1x10”cm。左右，表面复合速率<1×107cm／s。关键词：GaN；紫外探测器；器件设计中图分类号：TN364P

3、ACS：73．30．+y；85．60．GzPACC：7330；7280E文献标识码：A1引言被称为第三代半导体的氮化镓(GaN)及其系列材料在光电子学和微电子学领域有重要的应用价值。目前，高亮度的蓝光发光二极管已经实现商业化，而基于GaN激光器的蓝光DVD也将逐步走向家庭¨J。作为另外一种重要的GaN光电子器件，GaN基紫外探测器具有可见光盲、量子效率高、可零偏压工作、耐高温、抗腐蚀等优点，在火箭跟踪、大气监测、紫外线辐射计量等领域有重要的应用前景，受到人们极大的关注。经过多年的发展，不仅研制出MSM(金属．半导体·金

4、属)结构、肖特基结构、p．i—n结构等多种结构的GaN基紫外探测器单元器件心。】，而且还研制成功320×256焦平面阵列的太阳盲紫外探测器哺J。材料质量对GaN基光电子器件起着至关重要的作用，GaN基紫外探测器的发展同样如此，人们更多地把目标集中在提高材料质量方面来改善GaN紫外探测器的器件性能。但是，器件结构的选择和优化设计对于器件性能的提高也是非常重要的，在某种情况下器件结构的合理选择可以在一定程度上弥补材料质量的不足。从文献报道来看，GaN基紫外探测器的研究和制备大多是实验结果的讨论和描述，很少有从理论上去探讨器

5、件结构参数的优化和设计，这在一定程度上增加了研究工作的成本，而且也不利于研究工作的进一步深人。肖特基结构和p-i—n结构是探测器的两种最常规的器件结构，如果从理想情况来说，p．i．n器件结构的器件具有更小的暗电流，但是对P型要求很高。而对于GaN的器件来说，高质量的P型实现是一件非常困难的事情，所以实际的器件制备中，p-i一11结构探测器未必具有很好的性能。正是由于P型实现的困难，肖特基结构也就成为人们的选择，特别是对于GaN的肖特基结构探测器来说，肖特基势垒高度可以做得很高，暗电流也能做得非常小，从而也能达到很好的性

6、能，所以研究结构参数对GaN肖特基紫外探测器的影响对于器件设计和制备具有非常重要的意义。本文主要针对GaN肖特基结构紫外探测器(n一．GaN／n+-GaN)的器件结构参数对器件性能的影响进行了系统地研究，在此基础上提出了合理的设计方案。模拟计算结果表明：适当地增加肖特基势垒高度，可以急剧降低暗电流，改善噪声性能，增加有源层收稿日期：2009-02·19；修订日期：2009-03-29基金项目：国家自然科学基金(60776047)资助项目作者简介：周梅(1973一)，女．山东淄博人，主要从事半导体物理与器件的研究。E—m

7、ail：mn砌ou@126．tom，Tel：(010)62736711·：通讯联系人；E-mail：dgzhao@red．semi．∽．en，Tel：(010)82304208万方数据第6期周梅，等：结构参数对GaN肖特基紫外探测器性能的影响及器件设计825厚度也可以提高器件的量子效率，适当增加有源层的载流子浓度可以提高器件的量子效率，但是会增加暗电流。本文的研究结果对于实际的器件制备具有一定的指导意义。2模拟计算所采用的器件结构及参数图1是我们研究的GaN肖特基结构探测器示意图，包括一1"1+一GaN欧姆接触层和一肖

8、特基接触层n一一GaN(i-GaN)。器件的基本原理如下：当入射光照射到器件表面，光子被n一．GaN层(甚至包括11+一GaN层)吸收并产生光生电子．空穴对，然后这些光生电子一空穴对被肖特基结(金属和n一-GaN层形成)强内建电场所分离，形成光电流。在这些光生载流子分离的过程中会有复合，从而影响了器件性能，另外器件工作中还有暗电流