PIN光电探测器简述

光电探测器~

PIN 紫外光电探测器的研制
黄 瑾, 洪灵愿, 刘宝林, 张保平
( 厦门大学物理系,福建厦门361005)
摘 要: 用Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为PIN 探测器的有源层,研制出Al InGaN
PIN 紫外探测器。详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试。测
试结果表明,器件的正向开启电压约为1. 5 V ,反向击穿电压大于40 V ;室温- 5 V 偏压下,暗电流
为33 pA ,350 nm 处峰值响应度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %。
关键词: Al InGaN/ GaN ; PIN 光电探测器; 紫外光电探测器
中图分类号: TN304 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 5868 (2008) 05 - 0669 - 04
Development on Al InGaN/ Ga N PIN Ultraviolet Photodetectors
HUAN GJ in , HON G Ling2yuan , L IU Bao2lin , ZHAN G Bao2ping
(Dept. of Physics , Xiamen University , Xiamen 361005 , CHN)
Abstract : Using Al InGaN instead of Al GaN as t he source film of a p hotodetector s , an
Al InGaN2based PIN UV p hotodetector was developed. It s device st ruct ure and fabrication
processing are int roduced in detail . Measurement result s show t hat it s t urn2on voltage is about
1. 5 V , and VBR > 40 V ; under - 5 V bias voltage at room temperat ure , t he dark current is about
33 pA ; t he peak responsivity can reach 0. 163 A/ W at 350 nm , and t he quant um efficiency is
58 %.
Key words : Al InGaN/ GaN ; PIN p hotodetector ; ult raviolet p hotodetector
1 引言
GaN 基三元合金Al x Ga1 - x N 材料是波长范围
连续的直接带隙半导体,随材料Al 组分的变化其
带隙在3. 4～6. 2 V 连续变化,带隙变化对应波长范
围为200～365 nm ,覆盖了地球上大气臭氧层吸收
光谱区(230～280 nm) ,是制作太阳盲区紫外光探
测器的理想材料。Al GaN 基宽禁带半导体探测器
作为新一代紫外探测器[1 ] ,在军事和民用上都有重
要的应用,受到国内外的广泛重视。
目前,Al GaN/ GaN 材料和器件结构仍存在诸
多有待解决的问题: (1) 作为有源区的Al GaN 与作
为衬底的GaN 材料之间晶格失配,导致外延层位错
密度较高和紫外探测器的暗电流较大; (2) p 型掺
杂Mg 的激活能很大,其激活率很低,p 型Al GaN
材料带隙宽、功函数高,空穴浓度低,从而难于获得
良好的金属与p 型半导体接触(欧姆接触) ; (3) 结构
的优化设计,例如减少表面光反射率,优化有源层厚
度,提高器件的量子效率,从而提高其光响应度等。
针对这些困难,我们提出了以下几个改进措施:
(1 ) 用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的i 层;
(2) 在p 型Al InGaN 材料上再生长一层p 型GaN
材料,用于提高与金属接触层的半导体的空穴浓度,
有利于形成良好的欧姆接触; (3) 采用Ni/ Au 双层
作为p 电极,形成了良好的金属与半导体欧姆接触。
本文通过对Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的
研究,详细介绍了其结构设计和制作工艺,以及其器
件的测试结果。
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《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制
2 问题分析和解决方案
目前,紫外光电探测器一般采用Al GaN/ GaN
结构。随着Al GaN 中的Al 组分增加及响应波长的
减小,Al GaN 和GaN 之间的晶格失配变大,应力增
大,大大限制了Al GaN/ GaN 结构的器件性能,特别
是其暗电流和响应度。但是,Al InGaN 四元合金的
禁带宽度Eg 和晶格常数却可以独立变化,使我们
有可能调整禁带宽度到所需要的数值,同时保持较
低的位错密度,从而降低暗电流。图1 中的虚线代
表了晶格常数与GaN 一致的Al InGaN 的禁带宽度
的变化范围,如果用Al InGaN 四元合金做有源区,
就可以解决晶格失配所带来的问题。
四元合金Al x Iny GazN 晶格常数a 随组分的变
化关系可表示为[ 3 ]
aAl x In y Ga zN = xaAlN + yaInN + zaGaN (1)
式中, x + y + z = 1 。Al x Iny GazN 带隙随组分的变
化关系可表示为[ 4 ]
Q( x , y , z) = xy T12
1 - x + y
2 + yz T23
1 - y + z
2 +
xz T13
1 - x + z
2 / ( xy + yz + xz ) (2)
式中, Tij (α) =αB j + (1 - α) Bi + bijα(1 - α) , i , j =
1 ,2 ,3 分别代表AlN , InN ,GaN ,B 代表二元合金的
禁带宽度, b 代表三元合金的弯曲系数, b12 = - 5 ;
b23 = - 4. 5 ; b13 = - 1 。
图1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度与晶格常数的
关系
如果aAl x In y Ga zN = aGaN , 即Al InGaN 与GaN 晶
格匹配。把表1 的各项参数带入式(1) ,得到x ∶y
= 4. 47 ∶1 。那么,与GaN 晶格匹配的Al InGaN 的
禁带宽度范围从3. 39 eV ( GaN ) 到4. 67 eV
(Al0. 817 In0. 183N) ,相应的波长从365 nm ( GaN) 到
266 nm (Al0. 817 In0. 183 N) 。这一波段正好处于日盲
区域,是紫外光探测器的理想探测波段。
表1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度和晶格常数[ 2]
参数GaN AlN InN
a/ nm 0. 318 9 0. 311 2 0. 353 3
c/ nm 0. 518 6 0. 498 2 0. 569 3
Eg / eV 3. 39 6. 20 1. 90
3 实验结果及分析
3. 1 样品结构生长及材料性能
本研究使用中国科学院半导体所用MOCVD
系统生长的Al InGaN 材料。样品A 是我们研制
PIN 型紫外光电探测器的总体结构。先在Al2 O3 衬
底上生长GaN 缓冲层, 再生长3 μm 掺Si 的n2
GaN , 然后是0. 2μm 的未掺杂的i2Al InGaN ,再生
长0. 2μm 的掺Mg 的p2Al InGaN ,最后生长0. 1
μm 的掺Mg 的p2GaN 作为欧姆接触层。为了研究
中间的未掺杂的Al InGaN 层和p 型Al InGaN 层的
性质,我们又分别生长了样品B 和样品C。样品B
是先在Al2 O3 衬底上生长GaN 缓冲层, 再生长3
μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1μm 未掺杂的i2
Al InGaN。样品C 是先在Al2 O3 衬底上生长GaN
缓冲层, 再生长3μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1
μm 掺Mg 的p2Al InGaN 。
分别对样品B ,C 做了X 光三晶衍射实验。图
2 (a) 、( b) 分别是样品B 和C 的X 光三晶衍射谱。
图2 (a) 中的34. 565°的峰是GaN (0002) 峰,34. 602°
的峰是Al InGaN (0002) 峰。图2 (b) 中的34. 565°的
峰是GaN ( 0002 ) 峰, 34. 583°的峰是Al InGaN
(0002) 峰。
由此,计算出样品B 和C 的晶格常数列于表2
中。从计算结果可以看出样品B 和样品C 中
Al InGaN 与GaN 晶格常数基本匹配。
(a) 样品B
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(b) 样品C
图2 样品的X光三晶衍射谱
表2 样品B和C的晶格常数
样品cGaN / nm cAl InGaN / nm
Δc
c GaN
/ %
B 0. 518 50 0. 518 00 0. 096
C 0. 518 50 0. 518 31 0. 037
为了分析Al InGaN 材料的组分,对样品进行
PL 谱测量。对比图3 (a) 、(b) 、(c) 得出,在图3 (c)
中,358. 6 nm 的发光峰为p2Al InGaN 的带边发射;
365 nm 的发光峰为GaN 的带边发射;i2Al InGaN 的
发光峰基本与GaN 的发光峰重合。计算得出p2
Al InGaN 的禁带宽度Eg = 3. 46 eV 。
(c) 样品A
图3 样品的室温(300 K) PL 谱
根据上面分析可知, 与GaN 晶格匹配的
Al x Iny GazN材料中,Al 组分与In 组分的比值为
4. 47 ∶1 ,所以我们可以确定p2Al InGaN 材料的组
分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902N。
3. 2 器件工艺
本文按常规工艺制备了如图4 所示结构的PIN
光电探测器。它包括n2GaN 底层,i2Al InGaN 光吸
收层, p2Al InGaN 过渡层, p2GaN 欧姆接触层。
SiO2 作为器件的保护层和抗反射膜,用Ti/ Al/ Ni/
Au 作n 电极,用Ni/ Au 作p 电极。
图4 Al InGaN/ GaN PIN 结构示意图
试验中对p 型欧姆接触进行了工艺优化,材料
为K0299 p 型样品。合金温度优化表明500 ℃下所
获得的接触性能最好, 比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。随后分别在K0299 ( p2GaN ) 样品和
K0294 (p2Al InGaN) 样品上制备了电极,结果p 型
Al InGaN 的I2V 特性很差,电阻率很大,难以形成
欧姆接触。相比之下,p 型GaN 的I2V 特性就好得
多, 而且形成了欧姆接触。所以我们在p 型
Al InGaN 层上面生长了一层p2GaN ,用p2GaN 来做
欧姆接触层,降低了电阻率。
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《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制
4 器件性能测试与分析
图5 (a) 为Al InGaN PIN 型紫外探测器在正向
偏压下的I2V 特性曲线,其正向开启电压约为1. 5
V 。图5 (b) 为器件在反向偏压下的I2V 特性曲线,
器件的反向击穿电压约为40 V ,表现出较好的硬击
穿。由上述可见器件的I2V 特性良好。
图5 器件的I2V 特性曲线
将测试的数据进行处理,得到暗电流和反向偏
压关系曲线如图6 。从图6 可以看出,暗电流随反
相偏压增大而增大。在未加偏压时,暗电流在10 - 12
A 的数量级,在- 5 V 偏压下,暗电流仍然比较小,
仅为3. 3 ×10 - 11 A。
图7 是在- 5 V 偏压下测试得到的响应光谱。
光谱响应范围在200～400 nm ,实现了紫外探测。
Al InGaN 的禁带宽Eg = 3. 46 eV ,由公式hν≥Eg ,
λν= C ,可算出λ≤358. 4 nm。器件对波长大于358
nm 的入射光响应很小,相对峰值响应接近于零;小
于200 nm 的入射光因为波长短,光吸收系数很大,
被表面复合,无法在外电路中形成光电流[ 5 ] 。但从
图7 看出,光谱响应的范围较窄,主要原因有: (1) p2
Al InGaN 层的Al 组分小,没能形成窗口层; (2) p2
Al InGaN 层太厚,在光达到i 层前,大部分的光被p2
Al InGaN 层吸收了。
样品在350 nm - 5 V 偏压下峰响应为0. 163
A/ W ,量子效率达到58 %,性能优于T. N Oder 等
人[6 ] 报道的最大响应度0. 13 A/ W @326. 8 nm 的
In0. 02Al0. 15 Ga0. 83N 紫外光电探测器。最大响应度没
有出现在“太阳盲区”250～300 nm 范围内,主要是
因为i 层的Al InGaN 材料的Al 组分太小,使得i2
Al InGaN 的禁带宽度与GaN 的禁带宽度接近。
5 结论
采用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的有源
层,成功研制出PIN 紫外光电探测器。通过PL 谱
测量和X 射线衍射实验,计算出生长的p2Al InGaN
材料的组分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902 N ,与GaN 材料的
晶格失配率仅为0. 037 %。
(下转第708 页)
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品温度和环境温度慢慢趋于一致,即趋于热平衡时,
电阻变化缓慢且阻值降低较小。
图6 样品B 在空气中和真空中的电阻测量结果
4 结论
采用PECVD 法制备的掺硼氢化非晶硅薄膜,
其电阻值随测试时间呈现上升趋势,经XPS 分析发
现薄膜中存在氧化现象。光照条件下,样品光电阻
上升幅度增加,长时间的光照会导致S2W 效应出
现,分析表明光照会引起材料中弱Si - Si 键的断
裂,导致悬挂键缺陷态产生。掺硼氢化非晶硅的电
阻在退火前后均呈现波动现象,是由于随机电报噪
声的存在。通过对样品在真空中和空气中电阻测
量,证实在真空中材料焦耳热作用更显著,另外空气
的对流也对材料温度变化产生影响。
参考文献:
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[10 ] 何宇亮,陈光华,张仿清. 非晶半导体物理学[M] . 北
京:高等教育出版社,1989. 172.
作者简介:
杨利霞(1985 - ) ,女,硕士研究生,研究方向为
光电传感器用硅基薄膜敏感材料。
E2mail : lee4963 @163. com
(上接第672 页)
合金温度优化表明500 ℃合金退火下所获得的
p 型欧姆接触性能最好,比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。I2V 特性显示,器件正向开启电压为1. 5
V 左右,反向击穿电压为40 V ;在- 5 V 偏压下,暗
电流为3. 3 ×10 - 11 A ;样品在350 nm 下的最大响应
度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %,显示出了良好
的器件特性。
参考文献:
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vapor deposition [ J ] . Appl. Phys. Lett . , 1999 , 75 :
3 315.
作者简介:
黄 瑾(1983 - ) ,女,福建人,硕士研究生,主要
从事GaN 基材料和器件的研究。
E2mail : yehehuangjin0207812 @hotmail . com
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用可调线性稳压器比如lm317上拉电阻给二极管供电，pin接收红光相对于普通的光电二极管已经不错。贵的太高端我也不知道。当然如果你是在有其他光线的情况下（如日光），先做一个减法器剪掉那部分光电压干扰，然后放大。（我的pin直接出电压的）。软件滤波比较合适。

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苍山县17235745492： PIN - TIA是什么意思? - ？
示邓复方： PIN:二极管 TIA跨阻放大器Transimpedanceamplifier,缩写TIA ( PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件,其工作原理是:PIN的光敏面受探测光照射时,由于p-n结处于反向偏置,光生载流子在电场的作用下产生漂移,在外电路产生光电流;光电流通过跨阻放大器放大输出,这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能.在实际应用中,我们会根据TIA的要求,采用-5.2V、3.3V或其它的供电形式,用不同的外围电路形式来完成封装.)

苍山县17235745492： PIN光电二极管的基本工作原理是什么?？
示邓复方： 普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光.光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流.光的强度越大,反向电流也越大.光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件.

苍山县17235745492： 光纤通信中最常用的光电检测器有哪两种 - ？
示邓复方： APD探测器与PIN光电探测器, 北京中讯光普科技有限公司

苍山县17235745492： 跨阻放大器的应用 - ？
示邓复方： TIA由于具有高带宽的优点,一般用于高速电路,如光电传输通讯系统中普遍使用.例如PIN-TIA,PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件,其工作原理是:PIN的光敏面受探...

苍山县17235745492： 光电二极管、PIN、雪崩二极管的异同? - ？
示邓复方： 非常不错的解释,我收到了很大的帮助,谢谢

苍山县17235745492： pin pd 有什么区别,优缺点 - ？
示邓复方： InGaAs-PD暗电流要大于InGaAs-PIN/PD的响应相对要低于PIN/Si-PD结电流大于Si-PIN,而InGaAs-PIN结电流大于InGaAs-PD/PD工作电压远大于PIN,PD加正向电压PIN加反向电压/PD有增益的光电二极管,而PIN没有. PN 和PIN 光探测器的工作...

苍山县17235745492： pin型光电二极管的输出信号是电流么,大概有多大? - ？
示邓复方： 光电二极管是在加方向电压的情况下使用,其电流较小,一般在1mA以下,需要放大电路.测量时,可以在二极管回路中串入毫安表即可测得随光照变化的电流.

苍山县17235745492： 什么是超高速半导体器件 - ？
示邓复方： 一种微微秒Si—PIN光电探测器;虽然Si—PIN光电探测器结构与工艺简单,易于批量生产,但用硅材料很难使其响应时间小于100ps.为改善响应及防止高频反射影响,试制中加入了适量的铁磁物质.实验结果表明,研制的这种元件响应速度快,上升时间小于100ps

苍山县17235745492： pn结作为LED和光电探测器是如何工作的? - ？
示邓复方： LED时PN结是正向偏置,电流流过PN结,LED发光.作为光敏接收管时,PN结反向偏置,当未受光照时,内阻为高阻态,当受到光照时,内阻变为低阻态,起到光敏探测的作用 (避疫在家,无事可做,答题解闷,娱乐自己,帮助他人,打字画图不易,记得点赞哦!)

苍山县17235745492： 用PIN光电二极管探测激光的问题 - ？
示邓复方： 大部分PIN光电二极管在1mW以下线性度很好,这个区间可一直低至1nW,更低还可探测,但线性度不太好.1mW到10mW这段要看管芯面积,100um以下的线性度也不好,接近毫米级别的还可以,但也有所弯曲.10mW以上弯曲严重,但还是...