氮化镓基MIS结构紫外探测器研究

论文摘要

紫外探测技术在民用和军事领域中应用极其广泛。在民用领域，紫外探测技术可以应用于诸如火焰探测、海上油监、生物医药分析、臭氧的监测、太阳照度监测、公共安全侦察等；在军事领域中，紫外探测技术则可以应用于导弹的预警制导和紫外通讯等方面。总之，紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的新的军民两用的光电探测技术。一直以来，高灵敏度的紫外探测大多采用的是对紫外光敏感的真空光电倍增管及相似的真空类型器件。但是，与固体型的探测器相比，真空类型器件有着体积大和工作电压太高的缺点；硅光电器件，作为固体探测器的代表，对可见光有响应，该特点在紫外探测中就会成为缺点，此时若要求只对紫外信号进行探测就会需要昂贵的前置滤光设施。伴随着宽禁带的半导体材料研究的逐步深入，越来越多的人们开始考虑制备对可见光没有响应的半导体紫外探测器。GaN有着直接宽带隙（Eg3.4eV），由其制作的紫外光探测器对波长大于365nm的光波是没有响应的，而对于波长比365nm短的紫外光却有很大的响应。这个特点对于在可见和红外光的背景中有效的探测出紫外辐射非常有利。目前，世界上已经有很多不同结构的氮化镓的紫外探测器的报导。其中MS结型探测器因为其工艺较简单，响应的速度快，容易集成等优点受到了很多的关注。但是为了获得更好的性能，良好的晶体质量和在界面处形成的高势垒至关重要。想要使势垒高度增大，采用具有高功函数的金属是通常采取的方案，但是许多高功函数的金属的稳定性不尽如人意。另外，金属与半导体之间有着非常严重的相互扩散，也不利于该势垒的有效形成。为解决以上问题，可以在金属电极与半导体之间插入薄的绝缘层，起到提高势垒和抑制扩散的作用。本文通过在GaN和金属电极之间插入氮化硅，制备了GaN基MIS结构紫外探测器，并对其进行了材料属性方面的表征，测量了其电流电压曲线和光响应特性。我们发现在反向偏压下，该器件的电流输运由隧穿过程占主导作用；在正向偏压下，电流输运机制在不同偏压下有所变化，即从较低的正向偏压下的隧穿占主导变化为较高正向偏压下的空间电荷限制电流机制。不同厚度的绝缘层的器件的电流电压曲线显示，随着绝缘层厚度的增加，电流有着减小的趋势。同时得到了所制备的GaN基MIS结构探测器的光响应谱，发现在5V的反向偏压下，其截止波长为365nm，在300nm340nm之间有一个较为平坦的响应区间，在315nm处的峰值响应度R达到了170mA/W，探测度峰值Dpeak*=2.3×1012cmHz1/2W-1。发现随着外加反向偏压的增大，探测器的光电流峰值有红移的特点，并用GaN与氮化硅界面处的缺陷协助的光生空穴的隧穿理论对这个现象进行了解释。研究了不同厚度绝缘层的器件的光电流的情况，发现对于GaN基MIS结构的探测器而言，隧穿和漏电流的机制共同制约着其光电流的输运过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN 基紫外探测器的研究背景
• 1.2 光电探测器的重要参数
• 1.3 GaN 紫外探测器的研究进展
• 1.3.1 GaN 基紫外探测器的优点
• 1.3.2 GaN 基紫外探测器的分类和研究进展
• 1.4 GaN 基紫外探测器研究中存在的问题及本文的工作
• 第二章 基础知识
• 2.1 GaN 的基本性质
• 2.1.1. GaN 化学性质
• 2.1.2 GaN 的物理性质
• 2.1.3 GaN 的能带结构及其光学性质
• 2.1.4 GaN 与金属的接触
• 2.2 GaN 材料的制备
• 2.2.1 GaN 单晶材料的生长
• 2.2.2 外延生长
• 2.2.3 氮化镓的掺杂
• 2.3 氮化硅的性质
• 2.4 MOCVD 技术简介
• 2.4.1 MOCVD 技术的发展
• 2.4.2 MOCVD 的应用
• 2.4.3 MOCVD 的原理及特点
• 2.4.4 MOCVD 设备的生长系统
• 2.5 常用的样品表征手段
• 2.5.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.3 光致发光（PL）
• 2.5.4 霍尔效应（Hall Effect）
• 2.6 本章小结
• 第三章 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的制备与表征
• 3.1 GaN 薄膜的制备
• 3.2 GaN 薄膜的表征
• 3.2.1 XRD 表征
• 3.2.2 PL 表征
• 3.2.3 室温 Hall 表征
• 3.3 氮化硅薄膜的制备
• 3.4 氮化硅薄膜的表征
• 3.4.1 能量色散光谱（EDS）表征
• 3.4.2 透射光谱表征
• 3.5 Al 电极的制备
• 3.6 小结
• 第四章 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的电学输运特性研究
• 4.1 测量设备及测试方法
• 4.2 典型的 GaN 基 MIS 紫外探测器的电流电压曲线
• 4.3 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的反向 I-V 特性
• 4.4 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的正向 I-V 特性研究
• 4.5 GaN 基紫外探测器的光电流特性
• 4.6 不同厚度绝缘层的 GaN 基紫外探测器的反向 I-V 曲线
• 4.7 小结
• 第五章 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的光响应特性研究
• 5.1 光谱响应测试系统
• 5.2 典型的 GaN 基 MIS 结构紫外探测器光响应特性
• 5.3 不同偏压对 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的光电流的影响
• 5.4 不同厚度绝缘层对 GaN 基 MIS 结构紫外探测器的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢