基于氮化镓的高速、低噪声的紫外线光电探测器

摘要

由于晶体生长技术和器件制造工艺的进步，氮化镓近年来一直是人们强烈关注的焦点。其直接的宽带隙使其成为各种探测器应用的理想选择，例如紫外(UV)天文学、火焰探测和发动机监控，在这些应用中，恶劣的工作环境利用了材料的天然耐久性和可见的盲目性。

实验

氮化镓:镁和非有意掺杂氮化镓层

通过低压金属有机化学气相沉积在基底平面蓝宝石上生长。晶体生长的细节以前已经报道过。在N2环境中经过快速热退火后，在掺镁样品中获得了低电阻率p型氮化镓。交叉的铂/金肖特基接触通过电子束蒸发沉积。如图1所示，手指长150米，宽2米，间距10米。为了研究肖特基势垒的质量，在样品边缘附近沉积了铟欧姆接触。欧姆接触和肖特基接触之间测量的电流-电压特性如所示

图2的插图。它们的理想系数约为1.5

~4，分别用于nid GaN和GaN:Mg，漏电阻> 10gω。GaN:Mg MSM探测器的暗电流值在5 V时约为12 nA，在5 V时仅为2 nA

对于GaN MSM器件，这是触点以及材料高质量的额外确认。

光谱响应度研究采用Xe弧光灯作为光源，采用标准同步检测方案测量前侧照明探测器信号。该系统用紫外增强硅探测器进行了校准。用连续波氦-镉激光器(325纳米)激发，确定了响应度与光功率的关系。使用脉冲氮激光器(337 nm)作为光源来测量检测器的响应时间。使用SR760快速傅里叶变换频谱分析仪对噪声特性进行了分析，该仪器与Keithley 428电流放大器相连，因此系统约为10—24 A2/Hz。

结果与讨论

MSM探测器如图2所示。这两条响应曲线之间最显著的差别是波长截止的斜率。氮化镓固体火箭发动机探测器的响应显示了一个非常突然的截止，而氮化镓:镁固体火箭发动机探测器在更长的波长下有一个更渐进的下降。能量低于带隙的光子的这种轻微吸收是由于材料中存在与镁相关的能级。使用上述测量装置，不可能检测到波长大于400纳米的任何光生信号。因此，使用氩激光器(514纳米)获得可见光谱区的光响应，也显示在图2中。两条响应曲线都表现出很高的可见抑制，紫外/绿色对比度约为五个数量级。

如图3所示，对于GaN:Mg器件，光电流随着光功率线性增加，并且在更高的功率水平下没有显示出饱和。然而，nid GaN器件遵循Pk拟合，其中P是光功率，并且

k=0.9，这比报道的nid GaN光电导体的k=0.1行为要好得多。

图3。nid GaN和GaN:Mg MSM光电探测器的光电流与光功率的关系，用氦-镉激光器(325纳米)测量。在插图中，响应随着偏置电压的增加而缩放。

相对于电压偏置来测量ity。该测试的结果见图3的插图。nid氮化镓和氮化镓:镁多晶半导体器件的响应度都随着偏压的增加而增加。这种增加表明存在内部增益机制，如空穴陷阱。已经发现光谱响应的形状与高达5 V的偏压无关

这些器件的时间响应没有表现出持久的光电导性。为了获得检测器的最小时间响应，分析了光电流响应时间与负载电阻的关系，如图4所示。nid GaN MSM器件的光电流衰减是指数的。对于高负载电阻(> 50kω)，氮化镓:镁器件显示指数衰减，但它们会

低负载电阻的非元件，倾向于响应时间为200 ns，在指数范围内，时间常数受系统的RC乘积限制，其中R是负载电阻，C是器件电容和测量系统负载电容之和。为了估计nid GaN MSM探测器的最小时间响应，衰减时间常数被绘制为负载电阻的函数。

结论

总之，我们研究了nid GaN和GaN:Mg MSM光电探测器的制备和特性，具有高速度和可见抑制。光电流衰减对于nid氮化镓器件和掺镁器件的高负载电阻是很重要的，时间常数对应于系统的RC乘积。最低限度

nid GaN和GaN:Mg MSM器件的响应时间分别< 10 ns和约200 ns。噪声功率谱密度仍低于的背景水平

系统(10-24 A2/赫兹)最高可达5伏，适用于探测器。