CN101769941B - GaN基光伏探测器器件结构的电子学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基光伏探测器器件结构的电子学检测方法，该方法是通过测量导电探针与器件结构剖面以及上表面的电位差并进行定标，得出器件结构的表面能带分布；再对得到的表面能带分布进行数值拟合，给出所测台面器件结构的表面电荷密度分布、表面及体内的电场分布等信息。本方法可以对GaN基光伏型探测器件功能材料各个区域的电子学分布特性给予直观的评估；对于改善GaN基光伏探测器件性能和优化器件设计都有重要价值。

Description

GaN基光伏探测器器件结构的电子学检测方法

技术领域

本发明涉及半导体材料器件的检测技术，具体是指一种GaN基光伏探测器器件结构中电子学分布特征的测量分析方法。

背景技术

GaN基紫外探测器在航空及航天跟踪与控制、导弹制导与预警、医疗卫生与生物工程、环境监测与预报等领域都有重要应用。其中，以p-n结和p-i-n结为代表的结型光伏探测器结构由于具有响应速度快、低噪声等优点逐渐成为GaN基探测器的主流器件结构，尤其在紫外焦平面器件中被广泛采用。在决定GaN基光电探测器工艺效果和器件性能的因素中，GaN及AlGaN功能材料的电子学特性如实际结电场分布、表面态密度、缺陷和杂质电子特性的影响至关重要；特别是与材料缺陷相关的电子学行为在GaN基探测器中的影响比常用的硅基紫外器件中的影响要显著得多。因此，对GaN基器件结构的表面和体内电子学分布特性进行有效地表征，对于优化工艺、改善器件性能有积极意义。

目前，针对GaN光伏型探测器性能的表征通常是采用宏观的电流-偏压(I-V)、电容-偏压(C-V)等电学测量方法，I-V方法能够检测器件的暗电流等特性，并通过数值拟合对其起源进行分析；而电容-偏压(C-V)方法可用于检测材料的界面电荷。另一方面，通过光电子能谱(UPS，XPS，AES)等技术分析材料的表面成分和原子价态，可以获得半导体的表面电子结构等信息。这些方法给出的是GaN材料器件的综合电学、电子学特征，而半导体光伏探测器件通常包含p-n结等空间电场显著递变的区域，这类器件的台面单元其侧壁的电子能态受体内能带(电场)分布的影响，在结区附近，表面电子态的荷电状况会出现剧烈变化；这些表面电荷及其引起的表面电场对器件结构中光生少数载流子的分布、寿命都有直接的影响，从而左右器件的光电响应性能；加上GaN基III-V族半导体是较为公认的表面态密度高而且复杂的材料体系，因此需要高空间分辨能力的电子学分析手段。

本发明基于扫描探针显微技术，通过对GaN光伏探测器结构的表面-针尖相对电势差空间分布的测量，结合数值模拟，直接给出器件侧壁表面各区域的电荷密度，器件内部和表面电场等分布信息，从而为器件性能的分析和优化提供重要的参数。

发明内容

本发明是针对现有分析技术的不足，提供一种适用于GaN基紫外光伏探测器结构的电子学检测方法。该探测器结构至少包括一衬底、一p型层和一n型层，其中p型层和n型层可以是GaN或AlGaN材料。本方法可以直接为台面器件提供侧壁和上表面各位置处的表面电荷密度、电场分布等信息。本发明的依据是器件结构的表面能带分布主要由功能材料体内的能带结构和相应的表面电荷密度共同决定的；因而对材料结构参数相对确定的器件结构，通过考虑表面电荷影响的数值模型计算得到表面能带分布，并与实验检测值进行比对拟合，可以获得器件表面电荷密度的空间分布，同时可以由模拟结果得出如表面和体内的电场分布等信息。

此方法首先检测GaN基器件结构表面相对导电针尖的电势及其分布。包括：在器件结构上表面蒸镀金属并退火制作形成欧姆接触电极，其中，如果上表面层为n型结构，则蒸镀的金属电极为Ti/Al；如果上表面层为p型结构，则蒸镀的金属电极为Ni/Au。然后划片获得光洁平整表面，再以欧姆接触电极作为公共电极，测量器件的上表面和剖面深度方向，包含不同掺杂区域和材料组分层表面相对导电针尖的电势q_eV_sp，dev及其分布，该相对表面电势分布可以由扫描探针显微镜的表面电势成像模式测得。

其次，对得到的相对表面电势分布进行定标，获得器件结构的表面能带分布。包括：测量一种金属(金Au或者铂Pt)光洁表面和导电针尖之间的相对表面电势q_eV_sp，m；再根据公式E_c＝φ_m-q_eV_sp，m+q_eV_sp，dev-χ确定GaN基探测器器件结构表面任一处的导带相对费米能级的位置E_c，其中φ_m代表定标金属的功函数，χ表示器件各层材料的电子亲和能。

最后，以数值模型拟合表面能带分布，分析器件结构表面和体内的电子学分布特征。对器件结构的数值建模采用商用软件进行，并加入两类材料和工艺因素，一是表面电荷及其分布因素，包括器件结构上表面的填充电荷和台面器件单元侧壁的表面电荷分布；二是GaN基材料离子注入制成p-n结时的注入分布效应。

对台面器件侧壁的表面电荷分布，采用在材料生长方向上分层建模的方法。每一单层的侧壁分配独立的表面电荷种类和密度拟合参量，单层厚度为2到200纳米，具体数值由材料体内生长方向能带分布的梯度决定：能带分布缓变的区域设定较宽的层厚，反之，能带递变显著的区域设定较薄的层厚。

在数值模拟中，功能材料层的成分、厚度以及掺杂等参数根据器件的实际结构设定。

由数值模型计算表面能带相对位置及分布，并与实际测量得出的曲线进行对比拟合，得出器件上表面和剖面的电荷密度分布。在此基础上，得到器件结构表面以及体内的电场分布等信息。

与现有检测技术相比，本发明的优势首先体现在对GaN基光伏探测器器件结构电子学特征的空间分辨能力，从而能够给出器件结构表面电荷的极性和密度分布，并由此确定GaN或AlGaN表面的电中性能级。另一方面，这种电子学分辨能力也适用于GaN基紫外探测器面阵中单元器件的分析。

此外，由于本发明对器件结构剖面电子学分布的检测分析能力，而对于台面型的GaN基光伏探测器，该剖面等同于单元器件的侧壁，因此本发明的这一特点为建立台面型器件结构的三维数值模型提供重要参数，从而有助于进一步分析和优化器件的电学和光电性能。

附图说明

图1为本发明的相对表面电势测量示意图。

图2为本发明实施例中GaN基p-n结结构剖面生长方向相对导电针尖的表面电势分布。

图3为本发明实施例中导电针尖在铂和n-GaN表面测得的相对电势与针尖-试样间距的关系。

图4为本发明实施例中实际测量和数值模拟得出的GaN器件结构p-n结及其临近区域的表面能带分布。

图5为本发明实施例中得出的GaN p-n结附近表面电荷密度分布曲线。

图6为本发明实施例中得出的考虑了侧壁表面电荷效应的GaN p-n结二维电场分布。

具体实施方式

下面以GaN p-n结结构为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

图1是本发明的测量示意图，该方法适用的探测器结构至少包括一衬底、一p型层和一n型层，其中p型层和n型层可以是GaN或AlGaN材料，其中试样的制备包括公共电极的引出和剖面的制备。公共电极由器件的上表面蒸镀一层金属，经退火后形成欧姆接触而引出；待测剖面由金刚石刀划片自然解理获得。

在本实施例中，所测的器件结构沿材料生长方向依次是蓝宝石衬底层、非故意掺杂GaN缓冲层、p型GaN层以及n型GaN层，其中n型导电层由Si离子注入形成。在n型GaN层的上表面蒸镀Ti/Al，退火后形成欧姆接触，见图1。样品解理后固定在测量基片上，其中解理面垂直向上，公共电极经由基片引出。表面电势的测量采用美国Veeco公司生产的Multimode Nanoscope IV扫描探针显微镜的表面电势成像模式，选用Pt涂层的导电针尖。

根据上述方法由表面电势成像方法测得的剖面-针尖相对电势分布见图2，不同材料和掺杂区域以及它们之间的过渡区域在测量表面的表面电势分布都可以清晰地呈现出来。

对相对表面电势的定标选用新蒸镀的Pt薄膜作为标准金属试样，图3是导电针尖在Pt薄膜和n型(6×10¹⁸cm^-3)GaN表面不同距离测得的相对电势，为保证可比对性和降低定标误差，对两种试样的测量采用了相同的导电针尖和参数设置。图3显示，虽然随着针尖-试样间距增加，测得的相对电势也发生变化，但两种试样相对电势之差qV_sp，GaN-qV_sp，Pt基本维持在275±8meV，体现良好的置信度。再利用关系式E_c＝φ_m-q_eV_sp，m+q_eV_sp，dev-χ计算出图2中任一点相对电势对应的表面导带相对费米能级位置，并得到表面能带分布(图4的数据点)。

由Sentaurus Device软件建立所测体系的数值模型对获得的表面能带分布进行拟合，其中试样的材料结构、掺杂条件和参数按照实际情况给定；在GaN材料生长方向上分层建模以获得侧壁表面可调的电荷种类和密度分布；单层的厚度在p-n结和n型掺杂浓度递变区域为2到5纳米以反映体内较强的能带变化趋势，而在典型的p型和n型区，由于体内能带平滑，则采用20至100纳米的层厚。由此以各层表面固定电荷种类和密度作为变量，拟合得到和测量值相一致的侧壁表面能带分布(图4)；图5给出了相应的p-n结附近的表面固定电荷分布，值得提出的是，表面电荷密度分布对体内相对能带位置的微分即是GaN禁带中的表面电子态密度分布。

从模拟结果中，还可以计算得到器件表面和体内的电场分布等信息(图6)，从而有利于预测和分析相似工艺条件下制成的台面型GaN器件单元的性能。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种GaN基光伏探测器器件结构的电子学检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在GaN基被测器件结构的上表面的n型或p型导电层上蒸镀金属，并退火形成欧姆接触电极；

2)将GaN基被测器件结构划片，形成平整的剖面；

3)以蒸镀的金属电极作为公共电极，测量GaN基被测器件结构上表面和剖面与导电针尖之间的相对表面电势q_eV_sp，dev及其分布；

4)对所测得GaN基被测器件结构剖面的相对表面电势分布进行定标，获得GaN基被测器件结构剖面的表面能带分布，定标包含下列步骤：

首先，测量一种金属光洁表面和导电针尖之间的相对表面电势q_eV_sp，m，该金属是金或者铂；

其次，GaN基探测器器件结构表面任一处的导带相对费米能级的位置E_c由公式E_c＝φ_m-q_eV_sp，m+q_eV_sp，dev-χ给出，其中φ_m代表定标金属的功函数，χ表示器件各层材料的电子亲和能；

5)根据实际GaN基被测器件结构及参数，建立数值模型；所述的数值模型建模采用Sentaurus Device商用软件进行，并加入两类材料和工艺因素，一是表面电荷及其分布因素，包括器件结构上表面的填充电荷和台面器件单元侧壁的表面电荷分布；二是GaN基材料离子注入制成p-n结时的注入分布效应；所述的数值模型中对台面器件侧壁表面电荷分布，采用在材料生长方向上分层建模的方法，每一单层的侧壁分配独立的表面电荷种类和密度拟合参量，单层厚度根据材料体内生长方向能带分布的梯度设为2到200纳米；在数值模拟中，功能材料层的成分、厚度以及掺杂参数根据器件的实际结构设定；

6)利用数值模型拟合测得的表面能带分布，获得GaN基被测器件结构剖面上的表面电荷极性及密度分布；

7)由数值模拟结果给出GaN基被测器件结构表面及体内的电场分布。

2.根据权利要求1所述的一种GaN基光伏探测器器件结构的电子学检测方法，其特征在于：在步骤3)中所述的测量GaN基被测器件结构上表面和剖面与导电针尖之间的相对表面电势的测量使用扫描探针显微镜的表面电势成像模式。

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