李滔,廖俊

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng)，422000;2.高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 邵陽(yáng)，422000)

紫外光電探測(cè)器是一種突出的光電子器件,通用于光纖通信、圖像傳感器、臭氧傳感、輻射泄漏檢測(cè)、天文研究和遙控器等[1]。氮化鎵(GaN)是直接寬帶隙半導(dǎo)體,由于其具有高擊穿電壓、高電子遷移率、低暗電流、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性[2-4]等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于紫外探測(cè)器件材料。在氮化鎵的材料生長(zhǎng)過(guò)程中,一般采用藍(lán)寶石、Si和SiC等外延生長(zhǎng)GaN薄膜[5-6]。為了提高GaN基紫外探測(cè)器性能,可使用不同的探測(cè)器結(jié)構(gòu),如p-i-n結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)和MSM結(jié)構(gòu)器件[7]。其中,MSM器件由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化了制造工藝,吸引了大多數(shù)研究人員的關(guān)注。MSM結(jié)構(gòu)包括背靠背金屬半導(dǎo)體(MS)觸點(diǎn),其中采用相同金屬電極和不同金屬電極器件，被定義為對(duì)稱MSM和非對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu),比如采用金屬Au和GaN制作的對(duì)稱MSM紫外光電探測(cè)器具有較高的響應(yīng)度[8-9]。在GaN上采用不同金屬制作兩邊電極,不同金屬電極與半導(dǎo)體接觸,形成非對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu),不同金屬具有不同的功函數(shù)(WF),因此，非對(duì)稱電極MSM結(jié)構(gòu)器件中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電位梯度,正向偏壓時(shí)可以降低肖特基勢(shì)壘高度(SBH)和改善電流導(dǎo)通。采用Ni和In作為金屬電極與GaN接觸制作對(duì)稱和非對(duì)稱MSM器件,通過(guò)不同器件性能的比較,得到不同金屬作為電極的紫外探測(cè)器光電流、暗電流和光電響應(yīng)變化規(guī)律,分析器件性能變化規(guī)律的原理,以便為MSM器件紫外探測(cè)器性能研究提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 器件制作

如圖1所示為GaN基紫外探測(cè)器MSM器件結(jié)構(gòu)示意圖,器件材料襯底采用藍(lán)寶石,在藍(lán)寶石上沉積一層緩沖層材料(GaN或AlN),然后，在緩沖層材料上繼續(xù)沉積GaN光吸收層,在GaN上制作對(duì)稱金屬電極(如圖1(a)所示)和非對(duì)稱金屬電極(如圖1(b)所示)。器件具體制作過(guò)程為:首先,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的清潔工藝對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行化學(xué)預(yù)清潔,然后在850 ℃下退火以獲得表面原子清潔的藍(lán)寶石表面。通過(guò)等離子體輔助分子束外延系統(tǒng)在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN(0002)膜,該系統(tǒng)配備RF等離子體源以提供活性氮將GaN蒸發(fā)到藍(lán)寶石上。為了最小化藍(lán)寶石襯底和GaN之間的晶格失配,先在810 ℃下生長(zhǎng)一層約100 nm厚的AlN緩沖層,然后在740 ℃下生長(zhǎng)非常薄的外延GaN膜(約1 500 nm),RF功率為500 W,氮?dú)饬髁繛?.5×10-6m3/s。制造金屬電極之前,需化學(xué)清洗GaN薄膜以去除表面污染物,以實(shí)現(xiàn)低接觸電阻。對(duì)稱電極MSM器件的制作只需要采用帶有電極圖案的掩模板對(duì)樣品進(jìn)行光刻,利用光刻膠把叉指電極圖案轉(zhuǎn)移到樣品表面,然后在室溫下通過(guò)磁控濺射(背底真空度為2×10-4Pa,沉積金屬時(shí)采用氬氣為載體氣流,氣壓控制在1 Pa,濺射功率為直流60 W,濺射時(shí)長(zhǎng)30 min)沉積約300 nm厚的Ni(或In,濺射時(shí)長(zhǎng)10 min)金屬電極。磁控濺射完成后,取出樣品,丙酮溶液浸泡樣品1 min,然后把丙酮溶液和樣品放置在超聲儀器中超聲5～10 s,剝離多余金屬,得到Ni-Ni電極MSM器件和In-In電極MSM器件。對(duì)于非對(duì)稱電極(Ni-In)器件的制作,需要先進(jìn)行光刻,得到一邊Ni電極圖案；磁控濺射Ni,剝離后得到Ni電極,再次進(jìn)行光刻,得到另一邊In電極圖案；然后磁控濺射In,剝離后得到非對(duì)稱電極(Ni-In)器件。所使用的掩模板圖案中,電極寬度和間隔均為20 μm。

(a)對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu)

(b)非對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu)

2 器件測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

器件制作完成后,采用2個(gè)壓針?lè)謩e接觸器件兩邊電極區(qū)域,2個(gè)壓針?lè)謩e連接數(shù)字源表,通過(guò)數(shù)字源表在器件一端電極上施加電壓,另一個(gè)電極連接數(shù)字源表接地端口,數(shù)字源表可以實(shí)現(xiàn)1×10-12A至100 A電流的檢測(cè),通過(guò)數(shù)字源表對(duì)器件兩端電極施加范圍為-10 V至10 V的掃描電壓,分別對(duì)Ni-Ni對(duì)稱電極器件、In-In對(duì)稱電極器件和Ni-In非對(duì)稱電極器件測(cè)試得到暗場(chǎng)下I-V(其中，I為電流，V為電壓)、紫外光照射下I-V、開關(guān)紫外光源時(shí)光響應(yīng)數(shù)據(jù)。圖2為3個(gè)器件暗場(chǎng)I-V數(shù)據(jù),In-In對(duì)稱電極器件在正負(fù)偏壓下,輸出電流基本對(duì)稱,10 V偏壓時(shí),暗電流ID為3.8×10-8A,Ni-Ni對(duì)稱電極器件在正負(fù)偏壓下,輸出電流也基本對(duì)稱；10 V偏壓時(shí),器件暗電流為4.2×10-9A。Ni-In非對(duì)稱電極器件在正負(fù)偏壓下,輸出電流呈現(xiàn)非對(duì)稱變化,在負(fù)偏壓時(shí),器件暗電流與Ni-Ni器件的暗電流基本一致,而在正偏壓時(shí),器件暗電流與In-In器件的暗電流基本一致。在正偏壓下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示MSM器件的暗電流遵循ID(In-In)>ID(Ni-In)>ID(Ni-Ni)。

非對(duì)稱電極MSM器件暗電流不具有對(duì)稱性,可歸因于不同金屬功函數(shù)差異。對(duì)于無(wú)意摻雜的GaN薄膜,當(dāng)GaN費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體的金屬功函數(shù)能級(jí)時(shí),金屬與半導(dǎo)體形成歐姆接觸；而當(dāng)金屬功函數(shù)能級(jí)高于半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)時(shí),金屬將與半導(dǎo)體形成肖特基接觸。在所有合適做電極的金屬中,Ni金屬功函數(shù)為5.1 eV,具有較高的功函數(shù),In的功函數(shù)為4.1 eV,與GaN費(fèi)米能級(jí)接近。半導(dǎo)體與金屬接觸面的肖特基勢(shì)壘高度(SBH)可根據(jù)莫特模型計(jì)算:

?s=?m-χ

(1)

其中：?s是肖特基結(jié)的勢(shì)壘高度；?m是金屬的功函數(shù)；χ是半導(dǎo)體的電子親和力(對(duì)于GaN,χ=3.8 eV)。這導(dǎo)致Ni-GaN接觸的最高肖特基勢(shì)壘理論高度為1.3 eV。而另一種電極金屬In與GaN接觸界面,In-GaN接觸勢(shì)壘高度理論為0.3 eV,其接觸勢(shì)壘高度明顯小于Ni-GaN接觸勢(shì)壘高度。采用Ni金屬和In金屬分別作為不同電極與GaN接觸形成非對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu),由于不對(duì)稱接觸的肖特基勢(shì)壘高度差異,導(dǎo)致2個(gè)電極之間半導(dǎo)體內(nèi)部形成內(nèi)置電位梯度,這使非對(duì)稱MSM器件結(jié)構(gòu)具有增強(qiáng)正向偏壓電流特性(在非對(duì)稱器件中,對(duì)Ni電極的正偏壓使其向前偏壓,而對(duì)In電極的負(fù)偏壓使其反向偏壓)。此外,非對(duì)稱器件反向偏壓時(shí),暗電流較小?？紤]到在偏置條件下,整個(gè)電位降將跨越反向偏置的MS結(jié),導(dǎo)致紫外探測(cè)器中暗電流較小。對(duì)于3種不同器件,理想光電探測(cè)器的暗電流都可以通過(guò)公式(2)計(jì)算:

(2)

其中：A是器件的曝光區(qū)域面積，cm2；A*是有效Richardson常數(shù)；?b是肖特基勢(shì)壘；V是外部施加偏壓；n是理想因子；T是溫度；q是電子的電荷；k是玻爾茲曼常數(shù)。由式(2)可知MSM器件暗電流隨著SBH增加呈指數(shù)衰減,因此,對(duì)于具有較低肖特基勢(shì)壘的觸點(diǎn),暗電流將更高。在圖2中,In-In對(duì)稱MSM結(jié)構(gòu)(具有用于In MS接觸的最低肖特基勢(shì)壘)顯示出最高的暗電流,接著是非對(duì)稱電極Ni-In器件和Ni-Ni MSM結(jié)構(gòu)器件。Ni-In MSM結(jié)構(gòu)除了其他2個(gè)對(duì)稱MSM結(jié)構(gòu)都具有2個(gè)MS接觸面之外,GaN內(nèi)部還具有內(nèi)置電場(chǎng)作用,在GaN與金屬電極接觸面已經(jīng)達(dá)到費(fèi)米能級(jí)平衡時(shí),內(nèi)部會(huì)存在1個(gè)阻礙電子和空穴繼續(xù)相向運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部電場(chǎng)。由于非對(duì)稱Ni-In器件中存在1個(gè)Ni電極與GaN較高的接觸勢(shì)壘,該接觸面處會(huì)阻礙暗電流,從而導(dǎo)致非對(duì)稱Ni-In器件暗電流小于In-In器件暗電流。此外,當(dāng)非對(duì)稱器件Ni接觸端施加負(fù)偏壓時(shí),暗電流受MSM結(jié)構(gòu)中的反向偏置Ni接觸面阻礙,因此,Ni-In器件負(fù)偏壓時(shí),暗電流與Ni-N MSM器件暗電流接近。

3種器件光電流IL特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3可見：3種器件光電流大基本接近。這是因?yàn)楣庹障翯aN材料對(duì)光進(jìn)行吸收,然后產(chǎn)生光生載流子。光生載流子分離后,電子聚集在導(dǎo)帶上,導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘降低甚至是肖特基勢(shì)壘降為0,因此,3種器件的光電流相差不大。在相同電壓下光電流關(guān)系如圖3中插圖所示:Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni)。分析其原因,可以解釋為3種器件肖特基勢(shì)壘高度引起的變化規(guī)律不一致,同時(shí),也有可能是GaN薄膜生長(zhǎng)中存在高缺陷密度(>1×1014cm-2),導(dǎo)致缺陷輔助隧穿電流通過(guò)Ni-GaN MS結(jié)。

圖4所示為3種MSM器件在13 mW紫外光功率照射下施加8 V偏壓時(shí),開關(guān)光源時(shí)間間隔為2 s,電流隨時(shí)間關(guān)系測(cè)試結(jié)果。對(duì)于Ni-In,In-In和Ni-Ni MSM 紫外探測(cè)器,10 V偏壓下光響應(yīng)電流分別為2.6，2.47和2.3 μA。光響應(yīng)電流遵循Il(Ni-In)>Il(In-In)>Il(Ni-Ni),這是因?yàn)镮n-GaN MS結(jié)具有較低肖特基勢(shì)壘高度,在相同的偏壓下更加容易收集到光生載流子。在測(cè)試結(jié)果中,Ni-In非對(duì)稱MSM結(jié)構(gòu)器件光響應(yīng)電流比對(duì)稱MSM(Ni-Ni)結(jié)構(gòu)光響應(yīng)電流增強(qiáng)1.4倍,是因?yàn)榭缭組S結(jié)的勢(shì)壘電勢(shì)差異而導(dǎo)致不對(duì)稱金屬接觸中肖特基勢(shì)壘高度額外降低。

圖5所示為3種不同器件電極接觸面能帶圖,其接觸勢(shì)壘高度是在無(wú)外部偏壓時(shí)經(jīng)計(jì)算所得。圖5中,Ni-GaN MS結(jié)肖特基勢(shì)壘高度因?yàn)镹i具有較高的功函數(shù),因此,高于 In-GaN MS 結(jié)肖特基勢(shì)壘高度。在紫外光照射時(shí),能量大于或等于 GaN 帶隙(3.4 eV)的光子產(chǎn)生電子空穴對(duì),在施加的偏壓下,這些光生電子和空穴分別通過(guò)Ni和In電極收集。在正向偏壓下,反向偏置的In-GaN MS結(jié)驅(qū)動(dòng)電流傳輸,其中額外的勢(shì)壘降低增強(qiáng)了電荷載流子的收集,這也解釋了非對(duì)稱MSM器件在正偏時(shí),其暗電流幾乎與In-In電極器件暗電流接近的原因。

圖2 3種不同金屬電極器件的暗電流Fig.2 Dark current of three different metal electrode devices

圖3 3種不同器件的光電流Fig.3 Photocurrent of three different devices

(a)In-In電極器件；(b)Ni-Ni電極器件；(c)Ni-In電極器件圖4 3種不同器件的光電響應(yīng)Fig.4 Photoelectric response of three different devices

圖5 3種不同電極器件的接觸勢(shì)壘高度示意圖Fig.5 Schematic diagram of the contact barrier height of three different electrode devices

3 結(jié)論

由于不同金屬材料具有不同的功函數(shù),與半導(dǎo)體接觸時(shí)形成不同的接觸勢(shì)壘高度,不同的接觸勢(shì)壘高度影響了器件暗電流,在紫外光照下,由于有光生載流子的作用,使得接觸勢(shì)壘被降低,從而導(dǎo)致3種不同器件的光電流接近。通過(guò)對(duì)不同電極材料MSM器件的研究,發(fā)現(xiàn)采用不同的金屬材料做電極可以抑制器件漏電流(暗電流),同時(shí)在一定程度上不影響光電流,從而提高紫外探測(cè)器靈敏度。