AlGaN基p-i-n日盲紫外探测器及阵列制作的工艺研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:y51211
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与红外探测技术和激光技术相似,紫外探测技术在军事方面和民用方面都有着非常重要的应用。上世纪90年代以来,宽禁带半导体材料发展迅速,高质量GaN/AlGaN基外延材料生长技术也取得的重大进展,这也为GaN/AlGaN基光电子器件带来了新的发展机遇,如GaN基的激光器、HEMT、LEDs等等,紫外探测器也是其中之一。  本论文主要研究了AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器及面阵制作的各单项工艺和工艺流程,分析了它们对探测器性能的影响。最后,通过各单项工艺的比较,优化了器件制作的工艺流程,并制备了高性能的日盲型紫外探测器。并在制作单元器件的基础上,制作了128×128元焦平面器件,并进行了器件测试和分析。本文的主要工作内容和取得的成果如下:  (1)通过对一维泊松方程和薛定谔方程组进行自洽求解,分析了p-GaN/p-AlGaN异质结界面处二维空穴气(2DHG)的性质,结果表明:2DHG的浓度受到Al组分和压电极化效应的影响比较明显;受价带带阶高度和p型掺杂浓度的影响相对较小。  (2)研究了退火温度和气氛对高Al组分p-AlGaN和n-AlGaN欧姆接触的影响,通过实验,在p-Al0.4Ga0.6N表面获得了3.02×10-2Ωcm2的欧姆接触电阻率,在n-Al0.6Ga0.4N表面获得了4.36×10-4Ωcm2的欧姆接触电阻率。  (3)研究了p-GaN帽层对高Al组分p-AlGaN欧姆接触的影响,结果表明:p-GaN/p-AlGaN异质结中的2DHG沟道可有效改善p型欧姆接触的性能,并利用2DHG性质在p-GaN/p-Al0.4Ga0.6N上获得了3.81×10-4Ωcm2的欧姆接触电阻率。  (4)进一步研究了刻蚀损伤和钝化对AlGaN基紫外探测器暗电流的影响,结果表明:ICP方法的刻蚀损伤比IBE方法刻蚀要小,用热碱溶液处理干法刻蚀后的样片,可帮助减小刻蚀损伤,清除表面悬挂键等缺陷,从而抑制器件的暗电流;钝化层的材料和厚度均可影响钝化效果,并且在生长钝化层时,会对p型表面有不利影响,必须在生长钝化层时,保护好用于制作p型欧姆接触的表面。  (5)着重分析了一次退火工艺流程和二次退火工艺流程对器件性能的影响。结果表明:经过改进,二次退火工艺可兼顾p电极和n电极的欧姆接触性能。最后通过各单项工艺以及工艺流程的优化,获得了283nm背照式p-i-n型紫外探测器,-7V偏压下,响应率达到148mA/W,对应的外量子效率为63%;还获得了响应峰全部处于日盲波段的244nm背照式p-i-n型紫外探测器,其零偏响应率达到57mA/W,对应的探测率为8.17×1012cmHz1/2W-1,其在-10偏压下响应率达到120mA/W,对应的外量子效率为61%。  (6)在制作单元器件的基础上,研究了p-i-n日盲型紫外探测器的面阵制作工艺。通过6×6小面阵的制作和测试,分析了制作工艺的均匀性,进而制作了128×128元的紫外探测器阵列,器件光谱响应的起止波长为235nm~280nm,响应峰值256nm,全部处于日盲区。  (7)开展了In柱的制备和互联工作,将紫外焦平面阵列与红外读出电路(ROIC)进行了互联,并通过诸多测试分析了红外读出电路中的诸多不匹配因素,解决了一些互联前后的技术难题。针对可见光及红外光对读出电路的影响,设计了一种不透射红外及可见光的工艺结构;通过电路上有关参数的分析,并结合紫外探测器面阵的特点,详细说明了在设计紫外焦平面读出电路时必须考虑的问题,为相关电路设计者提供了参考。
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