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GaN 基 PIN 紫外光电探测器的设计

GaN 基 PIN 紫外光电探测器的设计. 紫外光电控测器的研究背景. 1 ：波长在 250nm ～ 300nm 的波段容易被探测。 2 ：军用领域：导弹发射的探测。 3 ：民用领域：火焰的探测和监控 ,UVA 和 UVB 区域的放射计量测定器等。 4 ：航空领域：飞行员的降落侍服系统。. 紫外光电探测器的材料种类. 紫外光电探测器的结构种类. 1 ：光电导结构 2 ： PIN （ PN) 型结构 3 ：肖特基型结构 4 ： MSM 结构 5 ： APD 结构. 常见结构探测器的比较.

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GaN 基 PIN 紫外光电探测器的设计

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Presentation Transcript

  1. GaN基PIN紫外光电探测器的设计

  2. 紫外光电控测器的研究背景 1：波长在250nm～300nm的波段容易被探测。 2：军用领域：导弹发射的探测。 3：民用领域：火焰的探测和监控,UVA和 UVB区域的放射计量测定器等。 4：航空领域：飞行员的降落侍服系统。

  3. 紫外光电探测器的材料种类

  4. 紫外光电探测器的结构种类 1：光电导结构 2：PIN（PN)型结构 3：肖特基型结构 4：MSM结构 5：APD结构

  5. 常见结构探测器的比较 • 光电导型探测器内部增益大,制作简单,但是它需要偏置,暗电流大,且速度慢。 • 肖特基势垒二极管虽然是潜在的最快的探测器,但由于其势垒高度比p-i-n小,漏电流较大;且其耗尽区较窄,在耗尽区外的光生载流子大部分复合对光电流没有贡献,效率低。 • p-i-n型光伏特探测器能克服这些困难,它的有效区可以做的比较厚,使大部分光子在此区吸收;而且耗尽区内的高强电场把电子空穴对分离,快速扫入两边的掺杂区,能达到较高速度。

  6. GaN基材料结构与性能

  7. 现有GaN基PIN紫外探测器常用材料结构 • 1：p-GaN/i-AIGaN/n-GaN • p-GaN/i-AIGaN/n-AIGaN (Cree公司） • 2： p-AIGaN/i-GaN/n-GaN （Illinois大学） • 3： p-GaN/i-GaN/n-AIGaN （北卡州立大学） • 4：AIGaN/GaN超晶格PIN （台湾国立中央大学） • 5：AIGaN PIN （Taxas)大学 • 6：GaN PIN （APA公司）等

  8. GaN基紫外探测器存在困难 1：AIGaN 与GaN之间晶格失配导致外延层位错密度较高。 2：P型材料中空穴浓度底。 3：难以获得良好的欧姆接触。 4：结构设计的优化等。

  9. - _ - + + + PIN探测器的工作原理 • 基本原理是光照射pn 结时，电子空穴对被内建电场分离，形成与入射光功率大小相关的光生电动势。当pn结短路时，产生光电流. • 原理图如下: • （前注入） i n p

  10. 探测器的性能参数 • 1：探测器的串阻RS: 根据探测器的I-V曲线 由公式（1）计算.（のv/のI) ×I=nKT/q+RS ×I (1) • 2：量子效率η • 3：响应度R • 4：噪声等效功率（NEP) • 5：探测率D • 6：响应时间 • 7：探测灵敏度（D*) • 8：探测器的噪声

  11. p-InAIN i-AIlnGaN n-GaN (n-AIlnGaN) 蓝宝石衬底 PIN探测器的结构 前注入式：

  12. PIN探测器结构组分的计算 探测波长为280nm ～320nm 为了保持晶格常数的匹配，获得高质量的晶体，选用与GaN晶格常数相同的几种合金来设计PIN探测器。 四元合金AIXlnyGazN晶格常数随组分的变化关系可表示为：a(AIXlnyGazN)=xa(AIN)+ya(lnN)+za(GaN) 如果a(AIXlnyGazN)= a(GaN) ，把AIN, lnN, GaN的晶格常数带入公式中得到：x:y=4.47:1 因此我们可得到相应的波长变化范围：365nm～278nm 根据设计的探测波段我们可以由合金禁带宽度的公式（没有考虑合金的弯曲系数）： Eg(AIXlnyGazN)=4.47yEg(AIN)+yEg(lnN)+(1-5.47y) Eg(GaN) 得出四元合金的组分为AI0.22ln0.05Ga0.73N 三元合金AI0.813ln0.187N

  13. 探测器结构厚度的计算 • 根据光谱响应来计算探测器的厚度参数 • 计算模型：pin 表示入射光的功率，a表示吸收系数，A表示光敏面积，r表示表面反射率 • wP wi wn p-AIlnN i-AIlnGaN n-GaN o x

  14. 1：P型区光生载流子产生率G1(λ)

  15. 2：i-AIlnGaN有源层中的光生载流 子产生率G2(λ)

  16. 3：n-GaN的光生载流子产生率G3(λ)

  17. 光生电流计算公式（条件：小注入，短路，稳态，不计结区载流子复合）s1为表面复合速度，s2为异质结复合速率光生电流计算公式（条件：小注入，短路，稳态，不计结区载流子复合）s1为表面复合速度，s2为异质结复合速率

  18. 光谱响应度公式：R=AJtot/pin • 根据外延片的结构参数：s1=107cm/s,s2=104cm/s, • Dn=52cm2/s,Dp=5.2cm2/s, • Ln=0.721μm,Lp=0.228μm. • ai≈an=a(λ） • 可得出光谱响应度R与探测器的各层厚度关系。

  19. P型区的厚度变化对应的光谱响应图

  20. i区厚度变化对应的光谱响应图

  21. n区厚度变化对应的光谱响应图

  22. 探测器抗反射膜的计算 可由光学知识计算出抗反射膜的厚度， 包含单层膜和双层膜的厚度。

  23. 探测器制作的常用工艺过程 材料生长—激活退火—测射保护膜---光刻—ICP刻蚀台面—光刻—ICP刻蚀光敏面—N电极预处理—光刻—测射金属—剥离形成电极—电极合金化—P电极预处理—光刻—测射金属—剥离形成P电极—P电极合金化—PECVD渡膜—光刻—腐蚀—测射金属—剥离形成焊盘—测试

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