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宽禁带半导体MSM结构紫外探测器的研究

作　者: 张军琴
导　师: 杨银堂
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: AlGaN/GaN 4H-SiC 金属-半导体-金属紫外探测器 欧姆接触 肖特基接触
分类号: TN23
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


GaN、SiC等宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、击穿电场高、介电常数小和导热性能好等特点,在高温、大功率、高频、光电子和抗辐射等领域具有广阔的应用前景。宽禁带半导体紫外探测器可以避免使用昂贵的滤光器,实现紫外探测器在太阳盲区下运行,它们在雷达、通讯、航空航天等领域具有很大的吸引力,已经得到普遍关注和广泛研究。虽然目前GaN、SiC材料、紫外探测器技术已经取得很大进展,但在理论模型及器件工艺等方面仍有较多问题亟待解决。本论文从理论分析和实验研究两方面入手,以GaN、SiC为代表开展了宽禁带半导体紫外探测器的建模和仿真研究,生长了AlGaN/GaN异质结材料,对制备紫外探测器的关键工艺进行了实验研究,并制备了AlGaN/GaN、4H-SiC紫外探测器样品。本文主要研究工作如下：1.运用二维器件仿真软件MEDICI,基于漂移-扩散模型、迁移率模型、复合模型、不完全电离模型等模型分别建立了GaN、4H-SiC材料参数库和紫外探测器的仿真模型,通过求解泊松方程、电子和空穴的电流连续性方程等分别获得了GaN、4H-SiCMSM结构紫外探测器Ⅰ-Ⅴ特性、光电响应度等特性。并且探讨了金属电极宽度、电极间距以及外延层厚度对4H-SiC紫外探测器的Ⅰ-Ⅴ特性以及响应度等特性的影响。这种仿真方法对研究其它材料和结构的宽禁带半导体紫外探测器具有一定的指导作用。2.采用MOCVD方法在(0001)取向的蓝宝石衬底上实现了AlGaN/GaN异质结材料的制备,通过对AlGaN/GaN异质结材料的SEM、EDS、XRD、Raman光谱测试,研究了材料的表面形貌、组分和结构质量等特性。测试结果表明生长的AlGaN/GaN异质结材料具有良好的结晶学质量。对购买的商用4H-SiC外延材料进行了SEM、EDS、XRD、Raman光谱测试,测试结果表明所购买的4H-SiC外延层表面生长缺陷密度很低、外延层质量很好,具有好的单晶特性。3.基于传输线模型,采用Ti/Al/Ni/Au多层金属体系分别在AlGaN/GaN异质结材料和4H-SiC外延材料上制备了欧姆接触测试图形。利用SEM、EDS对样品的表面形貌以及组分进行了测试,并对欧姆接触特性进行了测试与分析,结果表明在N2气氛中650℃下快速热退火30s后,Ti/Al/Ni/Au与Al0.27Ga0.73N/GaN的欧姆接触呈现出好的电学特性,最小比接触电阻率约为1.46×10-5Ω·cm2,能够满足高性能AlGaN/GaN紫外探测器制备的需要。而4H-SiC外延层上两金属电极之间的Ⅰ-Ⅴ曲线呈现出整流特性,表明在N2气氛中850℃下快速热退火60s后,不能形成欧姆接触。4.采用磁控溅射TiW金属体系制备肖特基接触、电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属体系制备欧姆接触,分别在AlGaN/GaN异质结材料和4H-SiC外延材料上制备了肖特基势垒二极管。Ⅰ-Ⅴ特性表明AlGaN/GaN、4H-SiC肖特基势垒二极管的正向特性较好。经过计算TiW AlGaN/GaN肖特基势垒二极管的理想因子为1.34,势垒高度约为0.99eV,串联电阻约为2.7mΩ·cm2。TiW 4H-SiC肖特基势垒二极管的理想因子为1.13,势垒高度为1.18eV,串联电阻约为5.7mΩ·cm2。5.采用TiW分别在AlGaN/GaN、4H-SiC材料上制备了MSM结构肖特基型紫外探测器,经测试MSM结构AlGaN/GaN紫外探测器在5V偏压内暗电流在10-8数量级变化,探测器的光谱响应范围约为240-280nm,3V偏压下响应度在255nm处达到0.74A／W,表明利用TiW在AlGaN/GaN异质结材料上制备的对称的MSM结构肖特基型紫外探测器具有高的响应度并具备太阳盲性质。4H-SiC MSM结构紫外探测器在4V偏压下暗电流约为1.24×10-8A,探测器对300-400nm范围内的光有响应,在386nm波长处响应达到最大,而对波长大于400nm的可见光并不敏感,并出现陡峭的截止边,说明探测器具备可见盲特性。

全文目录


中文摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章 绪论  13-31
  1.1 引言  13-14
  1.2 宽禁带半导体紫外探测器概述  14-18
    1.2.1 宽禁带半导体紫外探测器  14-15
    1.2.2 宽禁带半导体紫外探测器的结构  15-17
    1.2.3 宽禁带半导体紫外探测器的应用  17
    1.2.4 宽禁带半导体紫外探测器的研究现状  17-18
  1.3 GaN、SiC材料的基本性质和优势  18-26
    1.3.1 GaN材料的基本性质和优势  18-21
    1.3.2 SiC材料的基本性质和优势  21-26
  1.4 本论文的主要工作及创新  26-31
    1.4.1 本论文的主要工作  26-28
    1.4.2 本论文的主要创新点  28-29
    1.4.3 本论文的研究意义  29-31
第二章 MSM结构紫外探测器的仿真研究  31-53
  2.1 MSM结构紫外探测器的工作原理  31-34
  2.2 MSM结构探测器的主要参数  34-36
    2.2.1 光谱响应特性  34-35
    2.2.2 光电响应度  35
    2.2.3 量子效率  35-36
    2.2.4 响应时间  36
  2.3 物理模型  36-39
  2.4 GaN紫外探测器特性的仿真与分析  39-42
    2.4.1 GaN材料参数库的建立  39-40
    2.4.2 器件结构  40
    2.4.3 仿真结果与分析  40-42
  2.5 4H-SiC MSM结构紫外探测器特性的仿真与分析  42-51
    2.5.1 4H-SiC材料参数库的建立  42
    2.5.2 器件结构  42-43
    2.5.3 仿真结果与分析  43-51
  2.6 本章小结  51-53
第三章 材料制备及特性表征  53-77
  3.1 材料的生长技术  53-60
    3.1.1 GaN材料的生长技术  53-57
    3.1.2 SiC材料的生长技术  57-60
  3.2 材料特性的表征方法  60-63
    3.2.1 扫描电子显微镜  60-61
    3.2.2 原子力显微镜  61
    3.2.3 X射线衍射  61-62
    3.2.4 拉曼散射光谱  62-63
  3.3 AlGaN/GaN材料的特性表征  63-70
    3.3.1 AlGaN/GaN材料的制备  64-65
    3.3.2 AlGaN/GaN材料的测试与分析  65-70
  3.4 4H-SiC外延材料的特性表征  70-75
    3.4.1 4H-SiC外延材料  70
    3.4.2 4H-SiC外延材料的测试与分析  70-75
  3.5 本章小结  75-77
第四章 AlGaN/GaN、4H-SiC欧姆接触的研究  77-93
  4.1 欧姆接触的理论研究  77-79
  4.2 欧姆接触的测试方法  79-83
    4.2.1 线性传输线模型  79-81
    4.2.2 圆形传输线模型  81-82
    4.2.3 测试方法的比较  82-83
  4.3 AlGaN/GaN欧姆接触的研究  83-88
    4.3.1 实验  83-85
    4.3.2 结果与分析  85-88
    4.3.3 结论  88
  4.4 4H-SiC欧姆接触的研究  88-91
    4.4.1 实验  88-89
    4.4.2 结果与分析  89-91
    4.4.3 结论  91
  4.5 本章小结  91-93
第五章 AlGaN/GaN、4H-SiC肖特基接触的研究  93-109
  5.1 肖特基接触的理论分析  94-97
    5.1.1 肖特基势垒的形成  94-95
    5.1.2 肖特基势垒的电流输运机制  95-97
  5.2 AlGaN/GaN肖特基接触的研究  97-104
    5.2.1 实验  97-99
    5.2.2 结果与分析  99-103
    5.2.3 结论  103-104
  5.3 4H-SiC肖特基接触的研究  104-108
    5.3.1 实验  104-106
    5.3.2 结果与分析  106-108
    5.3.3 结论  108
  5.4 本章小结  108-109
第六章 MSM结构紫外探测器的研制  109-121
  6.1 AlGaN/GaN紫外探测器的制备  109-112
  6.2 AlGaN/GaN紫外探测器的特性分析  112-116
    6.2.1 Ⅰ-Ⅴ特性  112-114
    6.2.2 光谱响应特性  114-115
    6.2.3 响应度  115-116
    6.2.4 结论  116
  6.3 4H-SiC紫外探测器的制备  116-118
  6.4 4H-SiC紫外探测器的特性与分析  118-120
    6.4.1 Ⅰ-Ⅴ特性  118-119
    6.4.2 光谱响应特性  119-120
    6.4.3 结论  120
  6.5 本章小结  120-121
第七章 结束语  121-123
致谢  123-125
参考文献  125-165
攻读博士学位期间的有关研究成果  165-167

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 紫外技术及仪器
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