寬禁帶紫外光電探測器剖析課件

寬禁帶半導體紫外探測器寬禁帶半導體紫外探測器1主要內容引言一寬禁帶半導體紫外探測器概述二紫外探測器的應用三主要內容引言一寬禁帶半導體紫外探測器概述二紫外探測器的2◆第一代元素半導體材料Si以及第二代化合物半導體GaAs、InP等材料由于具有禁帶寬度小、器件長波截止波長大、最高工作溫度低等特點而使得器件的特性及使用存在很大局限性，滿足不了目前軍事系統(tǒng)的要求。◆第三代寬帶隙半導體材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金剛石等，同第一、二代電子材料相比，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好等特點，適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的寬禁帶，還可以制作藍、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。一、引言◆第一代元素半導體材料Si以及第二代化合物半導體GaAs、3表1Si、GaAs和寬帶隙半導體材料的特性對比材料Si和GaAs寬帶隙半導體材料SiGaAsSiC金剛石GaNZnO帶隙類型間接直接間接間接直接直接禁帶寬度(eV)1.1191.4282.9945.53.363.37熔點(℃)142012382830400017001975熱導率(W/cm?K)1.400.544.9201.5-電子遷移率(cm2/V?s)1350800010002200900-介電常數(shù)11.913.189.75.58.9-飽和速率(cm/s)1×1072×1072×1072.7×1072.5×107-一、引言表1Si、GaAs和寬帶隙半導體材料的特性對比材料Si4◆在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應用的比較常見的是光電倍增管和硅基紫外光電管。光電倍增管需要在高電壓下工作，而且體積笨重、易損壞，對于實際應用有一定的局限性。硅基紫外光電管需要附帶濾光片，這無疑會增加制造的復雜性并降低性能。◆在過去十幾年中，為了避免使用昂貴的濾光器，實現(xiàn)紫外探測器在太陽盲區(qū)下運行，以材料和外延技術較為成熟的SiC、GaN為代表的寬帶隙半導體紫外探測器引起世界各國重視。一、引言◆在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應用的比較常見的是5◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，用它們制作的器件在軍用、民用領域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導體業(yè)界人士的關注?！舻怯捎诠に嚰夹g上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進展一直十分緩慢。直到20世紀80年代后期至90年代初，SiC單晶生長技術和GaN異質結外延技術的突破，使得寬禁帶半導體器件的研制和應用得到迅速的發(fā)展?！粲肧iC、GaN材料制造實用化器件已經在電力電子、射頻微波、藍光激光器、紫外探測器和MEMS器件等重要領域顯示出比硅和GaAs更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進展。一、引言◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，6由于SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在軍事領域具有巨大的應用潛力，很多國家都開展了相關材料與器件的研究：◆美國軍方十分重視SiC、GaN器件，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)、ONR、空軍研究實驗室(AFRL)、美國彈道導彈防御組織(BMDO)等部門一直把GaN微波功率器件作為重點支持的領域?！粼诿绹姺降闹С窒?，CREE公司于2001年已將GaNHEMT器件與相關的外延材料用航天飛機運載到空間站并將它們安置在空間站的艙外，進行軌道運行試驗，以便真實地評估器件的可靠性和抗輻照能力?！魹榱诉M一步推進寬禁帶半導體器件的發(fā)展，美國國防部在2001年啟動寬禁帶半導體技術創(chuàng)新計劃(WBSTI)，重點解決材料質量和器件制造技術問題，促進此類器件工程化應用的進展。一、引言由于SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在軍事領域具有巨大的應7◆

相比之下，我國對寬禁帶半導體材料與器件的研究起步晚，而且研究單位較少，存在生長設備落后、投入不足、缺少高質量大尺寸的襯底、外延生長技術不成熟等問題，進展較慢，還處在初步階段。◆

雖然軍事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探測器，但目前所研制的寬禁帶半導體紫外探測器還未達到商品化的程度。◆

紫外探測器的性能受到多方面因素的影響，要制備性能優(yōu)越的紫外探測器，可以從以下幾個問題入手：1）寬禁帶半導體材料的生長技術；2）寬禁帶半導體紫外探測器的關鍵工藝技術；3）探測器結構的設計與優(yōu)化。一、引言◆相比之下，我國對寬禁帶半導體材料與器件的研究起步晚，而且8紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應度、量子效率和響應時間等。1、紫外探測器的性能參數(shù)二、寬禁帶半導體紫外探測器概述紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應度、9

(1)光譜響應特性

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述◆當不同波長的光照射探測器時，只有能量滿足一定條件的光子才能激發(fā)出光生載流子從而產生光生電流?！魧τ诎雽w材料，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或者等于禁帶寬度，即對應于本征吸收光譜，探測器對光的響應在長波方面存在一個波長界限λ0，根據發(fā)生本征吸收的條件可得到本征吸收長波限的公式為(1)光譜響應特性二、寬禁帶半導體紫外探測器概述10

(1)光譜響應特性

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述根據半導體材料的禁帶寬度，可以算出相應的本征吸收長波限。★對于GaN材料而言，Eg=3.4eV，則GaN探測器的長波限λ0≈365nm?！飳τ?H-SiC材料，Eg=3.26eV，則其長波限λ0≈380nm。從計算結果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收長波限都在紫外區(qū)。(1)光譜響應特性二、寬禁帶半導體紫外探測器概述11

(2)響應度

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述光電響應度是表征探測器將入射光轉換為電信號能力的一個參數(shù)。光電響應度也稱光電靈敏度，定義為單位入射光功率與所產生的平均光電流之比，單位為A/W。由上式可知，R與λ成正比，所以短波長探測器的響應度比起長波長的探測器來說響應度較小。假設η=1，則當波長為365nm時，響應率R=0.294A/W；當波長為200nm時，響應率R=0.161A/W。(2)響應度二、寬禁帶半導體紫外探測器概述12二、寬禁帶半導體紫外探測器概述

(3)量子效率量子效率分為內量子效率和外量子效率：◆

內量子效率定義為入射至器件中的每一個光子所產生的電子-空穴對數(shù)目，即◆在實際應用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源層中被吸收部分的大小又取決于材料的吸收系數(shù)和厚度，所以實際上只是部分的Popt能被器件有效地吸收而轉化為光電流。定義外量子效率為二、寬禁帶半導體紫外探測器概述(3)量子效率13◆

寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，用它們制作的器件在高功率、高溫、高頻和短波長應用方面具有比Si、GaAs等器件優(yōu)越得多的工作特性，使得它們在軍用、民用領域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導體業(yè)界人士的關注?！?/p>

但是由于工藝技術上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進展一直十分緩慢。直到20世紀80年代后期至90年代初，SiC單晶生長技術和GaN異質結外延技術的突破，使得寬禁帶半導體器件的研制和應用得到迅速的發(fā)展。◆

用SiC、GaN材料制造實用化器件已經在電力電子、射頻微波、藍光激光器、紫外探測器和MEMS器件等重要領域顯示出比硅和GaAs更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進展。二、寬禁帶半導體紫外探測器概述2、寬禁帶半導體紫外探測器◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，14◆

SiC的熱導率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與Si相比更適合于制造紫外光探測器。

◆用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是非常重要的。

◆但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(1)SiC紫外探測器◆SiC的熱導率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的15◆

GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導體，它的熱導、熱穩(wěn)定性、化學惰性、擊穿電場和帶隙寬度都可與SiC相比?！鬐aN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質結結構，這對制造復雜結構的器件非常重要。◆三元合金AlxGa1-xN的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從GaN(x＝0)的3.4eV連續(xù)變化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從365nm變化到200nm，是制作紫外探測器的理想材料之一。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介

(2)GaN基紫外探測器◆GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導體，它的熱導16◆

ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和GaN同為六角纖鋅礦結構，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且ZnO具有更高的熔點和激子束縛能以及良好的機電耦合性和較低的電子誘生缺陷?！舸送猓琙nO薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設備成本，抑制固相外擴散，提高薄膜質量，也易于實現(xiàn)摻雜。◆ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領域得到了廣泛應用?！?/p>

ZnO薄膜傳感器具有響應速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介

(3)

ZnO基紫外探測器◆ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料17◆金剛石是禁帶寬度為5.45eV的寬帶隙半導體材料，具有高的載流子遷移率、高的擊穿電壓、高的熱導率、高摻雜性和化學惰性，是非常適合于制備探測器件的材料?！粲捎诮饎偸さ慕麕挾缺菺aN大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應，且具有很強的可見光盲性，它的光生電流比Si探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(4)金剛石紫外探測器◆金剛石是禁帶寬度為5.45eV的寬帶隙半導體材料，具有高18二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器的結構根據基本工作方式的不同，寬禁帶半導體紫外探測器可以分為光電導探測器（無結器件）和光生伏特探測器（結型器件），其中光生伏特探測器又分為肖特基勢壘型、金屬-半導體-金屬（MSM）型、pn結型、pin結型等。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器19幾種不同類型寬禁帶半導體紫外探測器結構示意圖二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器的結構幾種不同類型寬禁帶半導體紫外探測器結構示意圖二、寬禁帶半導體20◆光電導探測器，簡稱PC探測器，是利用光電導效應制作的光探測器?！粢粔K半導體體材料和兩個歐姆接觸即可構成光導型結構的紫外探測器?！艄鈱妥贤馓綔y器具有結構簡單、工藝容易和內部增益高等優(yōu)點，但不足之處是響應速度慢、暗電流大。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(1)光導型紫外探測器◆光電導探測器，簡稱PC探測器，是利用光電導效應制作的光探21◆實際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應度與低的暗電流于一身，具有響應時間短、量子效率高、勢壘高度高、回避p型等優(yōu)點?！舻嬖谝恍﹩栴}：1）由于光照射半導體時必須通過金屬電極入射或者通過透明的襯底背面入射，因而入射光會受到較大損失。但是因為大多數(shù)半導體在紫外波段都吸收很厲害，吸收系數(shù)一般較大，所以使用良好的抗反射層，使大部分光吸收在表面結附近是完全可以實現(xiàn)的；2）金屬-半導體接觸所形成的結比較淺，主要在半導體表面附近；3）肖特基結構受表面態(tài)影響嚴重，表面態(tài)由很多深能級組成，可加劇光生電子-空穴對的復合，從而降低器件的量子效率。要消除表面態(tài)是非常困難的，這在一定程度上制約了肖特基結構器件的發(fā)展。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(2)肖特基勢壘紫外探測器◆實際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應度與低的暗電22◆

1985年德國半導體電子研究所率先發(fā)明了橫向結構叉指狀電極的肖特基光電二極管(MSM-PD)，改善了傳統(tǒng)光電二極管的性能。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(3)MSM型紫外探測器◆此結構是用平面線型叉指電極和半導體材料形成“背靠背”的雙肖特基勢壘。當在電極上加上直流偏置電壓時，一個勢壘正向偏置，另一個勢壘則反向偏置，因此暗電流極小，幾乎比同種材料的光電導探測器的暗電流小3-5個數(shù)量級?！鬗SM型光伏探測器不需要進行p型摻雜，具有響應度高、速度快、隨偏壓變化小、制備工藝簡單、造價低、易于單片集成等優(yōu)點，得到人們的普遍關注。◆1985年德國半導體電子研究所率先發(fā)明了橫向結構叉指狀電23◆

pn結光伏型探測器是將結區(qū)做成一個pn結，當適當頻率的光照射探測器的有源區(qū)時，光生載流子在內建電場的作用下在外電路形成光電流；◆它在一般的光伏工作模式下沒有內增益，當pn結正偏時導通，其暗電流遠遠大于光生電流，而反偏時，只有很小的暗電流，所以，探測器常常工作在反偏狀態(tài)；◆一般p區(qū)和n區(qū)的厚度遠大于結區(qū)，所以電流主要由擴散電流決定，而且主要取決于表層吸收產生的載流子，因此在很大程度上降低了探測器的響應時間。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(4)pn結型紫外探測器◆pn結光伏型探測器是將結區(qū)做成一個pn結，當適當頻率的光24

二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(5)pin結型紫外探測器◆為有效地提高器件靈敏度和響應速度，可以在p層和n層之間夾入一層本征的i層，以增加耗盡層的寬度?！魹槭筽in器件具有高的響應速度，結構設計應盡量使光在耗盡區(qū)吸收，p層的厚度要較小。◆一般pin光電二級管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光電二極管模式），使光生電流和暗電流的差別最大，從而使靈敏度提高?！粼诓皇翘叩钠珘合?，隨反向偏壓的增加，不僅響應率提高，而且響應速度也提高，這是因為隨偏壓的增加，耗盡區(qū)加寬，降低了結電容，因而有較小的RC時間常數(shù)。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(5)pin結型25三、紫外探測器的應用三、紫外探測器的應用26寬禁帶半導體紫外探測技術與傳統(tǒng)的紅外及其它光電探測方式相比具有不可比擬的技術優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：◆

在紫外區(qū)，由空間造成的紫外背景輻射較少，同時由于中紫外區(qū)位于太陽盲區(qū)，系統(tǒng)避開了最大的自然光源，信號檢測難度下降，虛警率下降，從而對發(fā)動機、導彈、等離子體輻射等產生的紫外輻射能作出準確的判斷；◆紫外探測具有極低的誤報率；◆紫外探測屬于無源被動探測，不輻射電磁波，隱蔽性好，從而具有較高的軍事價值；◆紫外探測技術使系統(tǒng)結構大為簡化，不制冷，不掃描，重量減輕，體積減小。三、紫外探測器的應用寬禁帶半導體紫外探測技術與傳統(tǒng)的27三、紫外探測器的應用

紫外探測器在軍事和民用方面均有很高的應用價值：◆軍事上，紫外探測技術可用于紫外告警、紫外通訊、紫外制導、紫外干擾等領域。【1991年的海灣戰(zhàn)爭、1999年的科索沃危機，大量高技術武器裝備在戰(zhàn)場上的廣泛應用及其所取得的驚人作戰(zhàn)效果給我們以啟迪：未來的高技術戰(zhàn)爭是電子戰(zhàn)發(fā)揮巨大作用的戰(zhàn)爭。沒有“制電磁權”，就很難有“制天權”、“制空權”、“制海權”、“制陸權”，沒有“電磁優(yōu)勢”，很難有“鋼鐵優(yōu)勢”?！咳?、紫外探測器的應用紫外探測器在軍事和民用方面均有很28三、紫外探測器的應用紫外線作為光電電子戰(zhàn)威脅頻段之一，其技術的軍事應用主要有以下幾個方面：◆

紫外制導★

盡管紅外制導是目前導彈的主流制導方式，但隨著紅外對抗技術的日趨成熟，紅外制導導彈的功效受到了嚴重地威脅?！?/p>

為了反紅外對抗技術，制導技術正在向雙色制導方面發(fā)展，這其中也包括紅外-紫外雙色制導方式。★

在受到敵方紅外干擾時，仍可使用紫外探測器探測目標的紫外輻射，并把導彈導引至目標進行攻擊。★

據報道，美國及北約盟軍的陸海軍在1989年裝備使用的尾刺(StingerPest)對空導彈中就采用了這種紅外-紫外雙色制導技術。三、紫外探測器的應用紫外線作為光電電子戰(zhàn)威脅頻段之一29三、紫外探測器的應用◆

紫外預警★紫外線為對付導彈的威脅,導彈入侵報警器是必要的裝備?！锬壳暗膶椚肭謭缶绞街饕幸蕾嚴走_工作的主動式報警和包括紅外、激光和紫外線告警為主的被動式報警?！镒贤忸A警是根據紫外探測器對導彈等飛行目標尾焰中的紫外輻射靈敏的特性，對短程空-空導彈及地-空導彈，尤其是對雷達告警所不能探測的紫外制導導彈進行近距離預警，保護直升機、運輸機等慢速平臺免遭其它導彈的攻擊?！飮庖蜒兄瞥晒α硕喾N紫外線報警器。美國洛拉爾公司在1988年就為美國海軍的C-1305直升機和P-3S運輸機研制成功了世界上第一臺紫外報警器AAR-47，不久就有上千套分別裝備于美、英、加、澳等國的飛機。美國西屋公司在美國海軍的資助下也研制出PMAWS-2000紫外報警器,主要裝備在各種戰(zhàn)斗機、坦克和裝甲車上。三、紫外探測器的應用◆紫外預警30三、紫外探測器的應用◆

紫外通訊★紫外通訊是一種具有極大發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯ㄓ嵎绞?。它是利用紫外輻射進行信息傳遞，與普通的無線電通訊相比，具有低竊聽率、高抗干擾性等優(yōu)點，能實現(xiàn)近距離保密通訊；與先進的激光通訊相比，具有可進行全方位多路通訊和定向通訊等優(yōu)點。所以受到對通訊保密性、機動性要求高的部門的廣泛重視。★美國在20世紀90年代初即研制出低功率紫外通訊系統(tǒng)。目前已有紫外通訊系統(tǒng)的成品出現(xiàn),并已成功地將此技術應用于空間飛行器與衛(wèi)星間的秘密通訊及海軍戰(zhàn)艦間、戰(zhàn)艦與艦載機聯(lián)絡等方面。三、紫外探測器的應用◆紫外通訊31三、紫外探測器的應用◆

紫外干擾★這是為對抗目前正在發(fā)展的紅外-紫外雙色制導導彈而發(fā)展起來的一種雙色干擾技術?！锼眉t外、紫外干擾彈，對敵方紫外制導系統(tǒng)發(fā)射強紫外干擾輻射，以干擾該系統(tǒng)正常運行?！镒贤飧蓴_的關鍵是研制出具有足夠強紫外輻射的火藥,裝添以制成具有紫外干擾能力的干擾彈。三、紫外探測器的應用◆紫外干擾32三、紫外探測器的應用◆民用上，紫外探測技術可用于燃燒工程及紫外水凈化處理中的紫外線測量、火焰探測等領域，如：★紫外探測器在民用方面已被用于氣體探測與分析、火焰?zhèn)鞲小⑽廴颈O(jiān)測、水銀消毒、礦物開采、發(fā)動機及鍋爐控制等?！?/p>

紫外探測技術在醫(yī)學、生物學方面也有著廣泛的應用，特別是近幾年在皮膚病診斷方面有著獨特的應用效果。利用紫外探測技術在檢測診斷皮膚病時可直接看到病變細節(jié)，也可用它來檢測癌細胞、微生物、血色素、紅血球、白血球、細胞核等，這種檢測不但迅速、準確，而且直觀、清楚。三、紫外探測器的應用◆民用上，紫外探測技術可用于燃燒工33寬禁帶半導體紫外探測器寬禁帶半導體紫外探測器34主要內容引言一寬禁帶半導體紫外探測器概述二紫外探測器的應用三主要內容引言一寬禁帶半導體紫外探測器概述二紫外探測器的35◆第一代元素半導體材料Si以及第二代化合物半導體GaAs、InP等材料由于具有禁帶寬度小、器件長波截止波長大、最高工作溫度低等特點而使得器件的特性及使用存在很大局限性，滿足不了目前軍事系統(tǒng)的要求?！舻谌鷮拵栋雽w材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金剛石等，同第一、二代電子材料相比，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導熱性能好等特點，適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的寬禁帶，還可以制作藍、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。一、引言◆第一代元素半導體材料Si以及第二代化合物半導體GaAs、36表1Si、GaAs和寬帶隙半導體材料的特性對比材料Si和GaAs寬帶隙半導體材料SiGaAsSiC金剛石GaNZnO帶隙類型間接直接間接間接直接直接禁帶寬度(eV)1.1191.4282.9945.53.363.37熔點(℃)142012382830400017001975熱導率(W/cm?K)1.400.544.9201.5-電子遷移率(cm2/V?s)1350800010002200900-介電常數(shù)11.913.189.75.58.9-飽和速率(cm/s)1×1072×1072×1072.7×1072.5×107-一、引言表1Si、GaAs和寬帶隙半導體材料的特性對比材料Si37◆在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應用的比較常見的是光電倍增管和硅基紫外光電管。光電倍增管需要在高電壓下工作，而且體積笨重、易損壞，對于實際應用有一定的局限性。硅基紫外光電管需要附帶濾光片，這無疑會增加制造的復雜性并降低性能?！粼谶^去十幾年中，為了避免使用昂貴的濾光器，實現(xiàn)紫外探測器在太陽盲區(qū)下運行，以材料和外延技術較為成熟的SiC、GaN為代表的寬帶隙半導體紫外探測器引起世界各國重視。一、引言◆在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應用的比較常見的是38◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，用它們制作的器件在軍用、民用領域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導體業(yè)界人士的關注?！舻怯捎诠に嚰夹g上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進展一直十分緩慢。直到20世紀80年代后期至90年代初，SiC單晶生長技術和GaN異質結外延技術的突破，使得寬禁帶半導體器件的研制和應用得到迅速的發(fā)展。◆用SiC、GaN材料制造實用化器件已經在電力電子、射頻微波、藍光激光器、紫外探測器和MEMS器件等重要領域顯示出比硅和GaAs更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進展。一、引言◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，39由于SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在軍事領域具有巨大的應用潛力，很多國家都開展了相關材料與器件的研究：◆美國軍方十分重視SiC、GaN器件，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)、ONR、空軍研究實驗室(AFRL)、美國彈道導彈防御組織(BMDO)等部門一直把GaN微波功率器件作為重點支持的領域?！粼诿绹姺降闹С窒?，CREE公司于2001年已將GaNHEMT器件與相關的外延材料用航天飛機運載到空間站并將它們安置在空間站的艙外，進行軌道運行試驗，以便真實地評估器件的可靠性和抗輻照能力?！魹榱诉M一步推進寬禁帶半導體器件的發(fā)展，美國國防部在2001年啟動寬禁帶半導體技術創(chuàng)新計劃(WBSTI)，重點解決材料質量和器件制造技術問題，促進此類器件工程化應用的進展。一、引言由于SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在軍事領域具有巨大的應40◆

相比之下，我國對寬禁帶半導體材料與器件的研究起步晚，而且研究單位較少，存在生長設備落后、投入不足、缺少高質量大尺寸的襯底、外延生長技術不成熟等問題，進展較慢，還處在初步階段?！?/p>

雖然軍事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探測器，但目前所研制的寬禁帶半導體紫外探測器還未達到商品化的程度?！?/p>

紫外探測器的性能受到多方面因素的影響，要制備性能優(yōu)越的紫外探測器，可以從以下幾個問題入手：1）寬禁帶半導體材料的生長技術；2）寬禁帶半導體紫外探測器的關鍵工藝技術；3）探測器結構的設計與優(yōu)化。一、引言◆相比之下，我國對寬禁帶半導體材料與器件的研究起步晚，而且41紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應度、量子效率和響應時間等。1、紫外探測器的性能參數(shù)二、寬禁帶半導體紫外探測器概述紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應度、42

(1)光譜響應特性

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述◆當不同波長的光照射探測器時，只有能量滿足一定條件的光子才能激發(fā)出光生載流子從而產生光生電流?！魧τ诎雽w材料，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或者等于禁帶寬度，即對應于本征吸收光譜，探測器對光的響應在長波方面存在一個波長界限λ0，根據發(fā)生本征吸收的條件可得到本征吸收長波限的公式為(1)光譜響應特性二、寬禁帶半導體紫外探測器概述43

(1)光譜響應特性

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述根據半導體材料的禁帶寬度，可以算出相應的本征吸收長波限?！飳τ贕aN材料而言，Eg=3.4eV，則GaN探測器的長波限λ0≈365nm?！飳τ?H-SiC材料，Eg=3.26eV，則其長波限λ0≈380nm。從計算結果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收長波限都在紫外區(qū)。(1)光譜響應特性二、寬禁帶半導體紫外探測器概述44

(2)響應度

二、寬禁帶半導體紫外探測器概述光電響應度是表征探測器將入射光轉換為電信號能力的一個參數(shù)。光電響應度也稱光電靈敏度，定義為單位入射光功率與所產生的平均光電流之比，單位為A/W。由上式可知，R與λ成正比，所以短波長探測器的響應度比起長波長的探測器來說響應度較小。假設η=1，則當波長為365nm時，響應率R=0.294A/W；當波長為200nm時，響應率R=0.161A/W。(2)響應度二、寬禁帶半導體紫外探測器概述45二、寬禁帶半導體紫外探測器概述

(3)量子效率量子效率分為內量子效率和外量子效率：◆

內量子效率定義為入射至器件中的每一個光子所產生的電子-空穴對數(shù)目，即◆在實際應用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源層中被吸收部分的大小又取決于材料的吸收系數(shù)和厚度，所以實際上只是部分的Popt能被器件有效地吸收而轉化為光電流。定義外量子效率為二、寬禁帶半導體紫外探測器概述(3)量子效率46◆

寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，用它們制作的器件在高功率、高溫、高頻和短波長應用方面具有比Si、GaAs等器件優(yōu)越得多的工作特性，使得它們在軍用、民用領域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導體業(yè)界人士的關注?！?/p>

但是由于工藝技術上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進展一直十分緩慢。直到20世紀80年代后期至90年代初，SiC單晶生長技術和GaN異質結外延技術的突破，使得寬禁帶半導體器件的研制和應用得到迅速的發(fā)展?！?/p>

用SiC、GaN材料制造實用化器件已經在電力電子、射頻微波、藍光激光器、紫外探測器和MEMS器件等重要領域顯示出比硅和GaAs更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進展。二、寬禁帶半導體紫外探測器概述2、寬禁帶半導體紫外探測器◆寬禁帶半導體材料具有卓越的物理化學特性和潛在的技術優(yōu)勢，47◆

SiC的熱導率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與Si相比更適合于制造紫外光探測器。

◆用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是非常重要的。

◆但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(1)SiC紫外探測器◆SiC的熱導率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的48◆

GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導體，它的熱導、熱穩(wěn)定性、化學惰性、擊穿電場和帶隙寬度都可與SiC相比?！鬐aN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質結結構，這對制造復雜結構的器件非常重要?！羧辖餉lxGa1-xN的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從GaN(x＝0)的3.4eV連續(xù)變化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從365nm變化到200nm，是制作紫外探測器的理想材料之一。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介

(2)GaN基紫外探測器◆GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導體，它的熱導49◆

ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和GaN同為六角纖鋅礦結構，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且ZnO具有更高的熔點和激子束縛能以及良好的機電耦合性和較低的電子誘生缺陷?！舸送?，ZnO薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設備成本，抑制固相外擴散，提高薄膜質量，也易于實現(xiàn)摻雜?！鬦nO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領域得到了廣泛應用?！?/p>

ZnO薄膜傳感器具有響應速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介

(3)

ZnO基紫外探測器◆ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料50◆金剛石是禁帶寬度為5.45eV的寬帶隙半導體材料，具有高的載流子遷移率、高的擊穿電壓、高的熱導率、高摻雜性和化學惰性，是非常適合于制備探測器件的材料?！粲捎诮饎偸さ慕麕挾缺菺aN大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應，且具有很強的可見光盲性，它的光生電流比Si探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(4)金剛石紫外探測器◆金剛石是禁帶寬度為5.45eV的寬帶隙半導體材料，具有高51二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器的結構根據基本工作方式的不同，寬禁帶半導體紫外探測器可以分為光電導探測器（無結器件）和光生伏特探測器（結型器件），其中光生伏特探測器又分為肖特基勢壘型、金屬-半導體-金屬（MSM）型、pn結型、pin結型等。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器52幾種不同類型寬禁帶半導體紫外探測器結構示意圖二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介2、寬禁帶半導體紫外探測器的結構幾種不同類型寬禁帶半導體紫外探測器結構示意圖二、寬禁帶半導體53◆光電導探測器，簡稱PC探測器，是利用光電導效應制作的光探測器。◆一塊半導體體材料和兩個歐姆接觸即可構成光導型結構的紫外探測器?！艄鈱妥贤馓綔y器具有結構簡單、工藝容易和內部增益高等優(yōu)點，但不足之處是響應速度慢、暗電流大。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(1)光導型紫外探測器◆光電導探測器，簡稱PC探測器，是利用光電導效應制作的光探54◆實際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應度與低的暗電流于一身，具有響應時間短、量子效率高、勢壘高度高、回避p型等優(yōu)點?！舻嬖谝恍﹩栴}：1）由于光照射半導體時必須通過金屬電極入射或者通過透明的襯底背面入射，因而入射光會受到較大損失。但是因為大多數(shù)半導體在紫外波段都吸收很厲害，吸收系數(shù)一般較大，所以使用良好的抗反射層，使大部分光吸收在表面結附近是完全可以實現(xiàn)的；2）金屬-半導體接觸所形成的結比較淺，主要在半導體表面附近；3）肖特基結構受表面態(tài)影響嚴重，表面態(tài)由很多深能級組成，可加劇光生電子-空穴對的復合，從而降低器件的量子效率。要消除表面態(tài)是非常困難的，這在一定程度上制約了肖特基結構器件的發(fā)展。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(2)肖特基勢壘紫外探測器◆實際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應度與低的暗電55◆

1985年德國半導體電子研究所率先發(fā)明了橫向結構叉指狀電極的肖特基光電二極管(MSM-PD)，改善了傳統(tǒng)光電二極管的性能。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(3)MSM型紫外探測器◆此結構是用平面線型叉指電極和半導體材料形成“背靠背”的雙肖特基勢壘。當在電極上加上直流偏置電壓時，一個勢壘正向偏置，另一個勢壘則反向偏置，因此暗電流極小，幾乎比同種材料的光電導探測器的暗電流小3-5個數(shù)量級?！鬗SM型光伏探測器不需要進行p型摻雜，具有響應度高、速度快、隨偏壓變化小、制備工藝簡單、造價低、易于單片集成等優(yōu)點，得到人們的普遍關注。◆1985年德國半導體電子研究所率先發(fā)明了橫向結構叉指狀電56◆

pn結光伏型探測器是將結區(qū)做成一個pn結，當適當頻率的光照射探測器的有源區(qū)時，光生載流子在內建電場的作用下在外電路形成光電流；◆它在一般的光伏工作模式下沒有內增益，當pn結正偏時導通，其暗電流遠遠大于光生電流，而反偏時，只有很小的暗電流，所以，探測器常常工作在反偏狀態(tài)；◆一般p區(qū)和n區(qū)的厚度遠大于結區(qū)，所以電流主要由擴散電流決定，而且主要取決于表層吸收產生的載流子，因此在很大程度上降低了探測器的響應時間。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(4)pn結型紫外探測器◆pn結光伏型探測器是將結區(qū)做成一個pn結，當適當頻率的光57

二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(5)pin結型紫外探測器◆為有效地提高器件靈敏度和響應速度，可以在p層和n層之間夾入一層本征的i層，以增加耗盡層的寬度?！魹槭筽in器件具有高的響應速度，結構設計應盡量使光在耗盡區(qū)吸收，p層的厚度要較小。◆一般pin光電二級管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光電二極管模式），使光生電流和暗電流的差別最大，從而使靈敏度提高。◆在不是太高的偏壓下，隨反向偏壓的增加，不僅響應率提高，而且響應速度也提高，這是因為隨偏壓的增加，耗盡區(qū)加寬，降低了結電容，因而有較小的RC時間常數(shù)。二、寬禁帶半導體紫外探測器簡介(5)pin結型58三、紫外探測器的應用三、紫外探測器的應用59寬禁帶半導體紫外探測技術與傳統(tǒng)的紅外及其它光電探測方式相比具有不可比擬的技術優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：◆

在紫外區(qū)，由空間造成的紫外背景輻射較少，同時由于中紫外區(qū)位于太陽盲區(qū)，系統(tǒng)避開了最大的自然光源，信號檢測難度下降，虛警率下降，從而對發(fā)動機、導彈、等離子體輻射等產生的紫外輻射能作出準確的判斷；◆紫外探測具有極低的誤報率；◆紫外探測屬于無源被動探測，不輻射電磁波，隱蔽性好，從而具有較高的軍事價值；◆紫外探測技術使系統(tǒng)結構大為簡化，不制冷，不掃描，重量減輕，體積減小。三、紫外探測器的應用寬禁帶半導體紫外探測技術與傳統(tǒng)的60三、紫外探測器的應用

紫外探測器在軍事和民用方面