蓝宝石基铝镓氮半导体复合衬底：光电探测器应用*
在III族氮化物材料中，铝镓氮（AlxGa1-xN）三元材料体系引起了全世界的关注，近年来得到了巨大的发展。其最吸引人的特征之一是从3.5eV的GaN到6.2eV的AlN的带隙范围很宽，覆盖了360nm和200nm之间的截止带边缘范围，提供了全紫外区域光电探测。此外，Al组分高于40%的AlxGa1-xN合金被认为是用于日盲检测的最佳候选者之一。该材料具有较高的化学稳定性、热稳定性和辐射硬度，有助于推动高温和高光子能量探测的研究，以及在外层空间等恶劣工作环境中的应用。
可供蓝宝石基铝镓氮（AlGaN）复合衬底用于制备紫外光电探测器，该半导体复合衬底材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺沉积AlGaN薄膜在C轴（0001）蓝宝石衬底上。
1. 铝镓氮/蓝宝石复合衬底表征
尽管薄膜生长技术在过去十年中有了显著的改进，但化学成分波动问题或Al%不均匀性一直是影响AlGaN和其他III族氮化物三元体系材料质量的一个持续问题。因此，在制造之前，研究者对我们的复合半导体材料AlGaN薄膜的表面形态、缺陷密度、光学特性等进行了研究，以更好地了解材料质量及其对器件性能的影响，研究结果如下：
1.1 表面形态研究
图1（a）AlGaN复合衬底上六边形结构的表面形态，（b）六边形结构的相应EDX映射；（c） 通过XPS在30个不同位置上测量的Al组成，每个位置以1um的间隔测量3次，误差条表示3次测量的误差
1.2 AlGaN薄膜缺陷
X射线衍射摇摆曲线计算AlGaN薄膜的位错密度，如图2显示：
图2 AlGaN薄膜沿（0001）方向的X射线摇摆曲线
此外，在半导体芯片复合衬底界面的SEM图像中可以发现明显的晶体缺陷，如图3所示：
图3 用SEM离子磨制备的AlGaN/蓝宝石衬底界面的截面图
1.4 AlGaN复合衬底光学特性
使用Lambda-900光谱仪通过扫描200nm至1100nm的波长来测量AlGaN薄膜的透射曲线，结果如图4所示。曲线显示了XXnm至XXnm的尖锐截止波长，对应于XXeV至XXeV的带隙。具体数据请邮件咨询：vp@honestgroup.cn
图4 AlGaN薄膜的透射曲线，三条不同颜色的曲线表示在晶片内不同位置测量的光谱
2. 基于AlGaN半导体复合衬底的光电探测器研究结果
研究人员采用该氮化物复合衬底重点研究了具有皮秒响应时间的超快紫外光电探测器的开发，并了解了AlGaN复合衬底材料性质对探测器性能的影响。设计、模拟、制作和测试了两代基于AlGaN薄膜的金属半导体金属紫外光电探测器。第二代器件成功地消除了持续光电导（PPC）问题，响应时间和暗电流都提高了6个数量级以上。该探测器的光学响应对偏置电压和激光功率表现出良好的线性。探测器对吸收边缘以上的激光波长不敏感。这些结果对超快激光表征和诊断、集成光子学和高速光通信的广泛应用非常重要，尤其是当需要对特定波长视而不见时。
对于第一代器件，设计和制造了具有不同金属接触和封装方法的不同结构和材料布局。通过APSYS模拟和实验测试了不同环境下的器件性能，包括I-V特性和时间响应。包括器件布局、偏置电压、入射功率、工作温度、光束大小和聚焦位置在内的各种参数都发生了变化，以证明它们对器件性能的影响。从AlGaN复合半导体衬底材料的角度研究了Al%的波动，并从理论和实验上研究了其对器件性能的影响。通过脉冲电压测量研究了金属-半导体的接触性质，研究了器件时间响应中的PPC现象，并尝试了减少这种现象的方法。
为了实现更快的器件响应和更低的暗电流，在具有改进的器件设计的质量更好的半导体衬底晶片上制造了第二代器件。在第二代器件的不同掺杂分布和接触材料中，最好的器件显示出快速响应时间（<20ps）和低于10pA的暗电流。器件还显示出与偏置电压和激光能量的良好响应线性。
在P掺杂器件上也观察到了PPC效应和高暗电流，并从材料性能的角度研究了其原因。结果表明，宏观缺陷（AlGaN薄膜中的裂纹和空隙）而不是微观缺陷（点缺陷、位错）可能是导致响应时间衰减极慢的主要原因。在P掺杂材料中也发现了碳偏析层，这可能与器件的PPC效应和高暗电流有关。
3. AlGaN光电探测器应用
AlGaN光电探测器具有广泛的应用，从紫外线天文学、不同材料的紫外线固化、水净化、火焰检测、生物传感器到更先进的应用，包括导弹羽流检测、内燃机控制和安全的太空通信。一个很好的例子是探测导弹羽流和其他发射行动，这需要对地球大气层内的日光背景有很好的盲目性。在激光诱导聚变系统非常恶劣的环境中，这种装置是表征和诊断超快点火激光系统的良好候选者。AlGaN材料有可能相应地设计光电探测器的光谱特性，并且还希望在设计的Al成分梯度上制造快速器件阵列，以提供高速和可变的光谱灵敏度
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