宽禁带紫外光电探测器ppt课件.ppt
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1、宽禁带半导体紫外探测器,主要内容,引言,一,宽禁带半导体紫外探测器概述,二,紫外探测器的应用,三, 第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件的特性及使用存在很大局限性,满足不了目前军事系统的要求。 第三代宽带隙半导体材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金刚石等,同第一、二代电子材料相比,具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特点,适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件;而利用其特有的宽禁带,还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。,一、引言,一、引言,
2、 在紫外探测器方面,目前已投入商业和军事应用的比较常见的是光电倍增管和硅基紫外光电管。光电倍增管需要在高电压下工作,而且体积笨重、易损坏,对于实际应用有一定的局限性。硅基紫外光电管需要附带滤光片,这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。 在过去十几年中,为了避免使用昂贵的滤光器,实现紫外探测器在太阳盲区下运行,以材料和外延技术较为成熟的SiC、GaN为代表的宽带隙半导体紫外探测器引起世界各国重视。,一、引言, 宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势,用它们制作的器件在军用、民用领域有更好的发展前景,一直受到半导体业界人士的关注。 但是由于工艺技术上的问题,特别是材料生长和晶片加工的
3、难题,进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初,SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破,使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性,并开始取得非常引人注目的进展。,一、引言,由于SiC、GaN等宽禁带半导体材料在军事领域具有巨大的应用潜力,很多国家都开展了相关材料与器件的研究: 美国军方十分重视SiC、GaN器件,美国国防部高级研究计划局(DARPA)、ONR、空军研究实验室(AFRL)、美国弹道导弹防御组织(BMDO)等部门一
4、直把GaN微波功率器件作为重点支持的领域。 在美国军方的支持下,CREE公司于2001年已将GaN HEMT器件与相关的外延材料用航天飞机运载到空间站并将它们安置在空间站的舱外,进行轨道运行试验,以便真实地评估器件的可靠性和抗辐照能力。 为了进一步推进宽禁带半导体器件的发展,美国国防部在2001年启动宽禁带半导体技术创新计划(WBSTI),重点解决材料质量和器件制造技术问题,促进此类器件工程化应用的进展。,一、引言, 相比之下,我国对宽禁带半导体材料与器件的研究起步晚,而且研究单位较少,存在生长设备落后、投入不足、缺少高质量大尺寸的衬底、外延生长技术不成熟等问题,进展较慢,还处在初步阶段。 虽
5、然军事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探测器,但目前所研制的宽禁带半导体紫外探测器还未达到商品化的程度。 紫外探测器的性能受到多方面因素的影响,要制备性能优越的紫外探测器,可以从以下几个问题入手:1)宽禁带半导体材料的生长技术;2)宽禁带半导体紫外探测器的关键工艺技术;3)探测器结构的设计与优化。,一、引言,紫外探测器的主要参数包括暗电流、光电流、响应度、量子效率和响应时间等。,1、紫外探测器的性能参数,二、宽禁带半导体紫外探测器概述,(1) 光谱响应特性,二、宽禁带半导体紫外探测器概述, 当不同波长的光照射探测器时,只有能量满足一定条件的光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。
6、对于半导体材料,要发生本征吸收,光子能量必须大于或者等于禁带宽度,即对应于本征吸收光谱,探测器对光的响应在长波方面存在一个波长界限0,根据发生本征吸收的条件,可得到本征吸收长波限的公式为,(1) 光谱响应特性,二、宽禁带半导体紫外探测器概述,根据半导体材料的禁带宽度,可以算出相应的本征吸收长波限。 对于GaN材料而言,Eg=3.4eV,则GaN探测器的长波限0365nm。 对于4H-SiC材料,Eg=3.26eV,则其长波限0380nm 。 从计算结果可以看出,GaN、4H-SiC材料的本征吸收长波限都在紫外区。,(2) 响应度,二、宽禁带半导体紫外探测器概述,光电响应度是表征探测器将入射光转
7、换为电信号能力的一个参数。光电响应度也称光电灵敏度,定义为单位入射光功率与所产生的平均光电流之比,单位为A/W。,由上式可知,R与成正比,所以短波长探测器的响应度比起长波长的探测器来说响应度较小。假设=1,则当波长为365nm时,响应率R=0.294A/W;当波长为200nm时,响应率R=0.161A/W。,二、宽禁带半导体紫外探测器概述,(3) 量子效率,量子效率分为内量子效率和外量子效率: 内量子效率定义为入射至器件中的每一个光子所产生的电子-空穴对数目,即, 在实际应用中,入射光的一部分在器件表面被反射掉,在有源层中被吸收部分的大小又取决于材料的吸收系数和厚度,所以实际上只是部分的Pop
8、t能被器件有效地吸收而转化为光电流。定义外量子效率为, 宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势,用它们制作的器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面具有比Si、GaAs等器件优越得多的工作特性,使得它们在军用、民用领域有更好的发展前景,一直受到半导体业界人士的关注。 但是由于工艺技术上的问题,特别是材料生长和晶片加工的难题,进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初,SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破,使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等重要领
9、域显示出比硅和GaAs更优异的特性,并开始取得非常引人注目的进展。,二、宽禁带半导体紫外探测器概述,2、宽禁带半导体紫外探测器, SiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si的高很多,与Si相比更适合于制造紫外光探测器。 用SiC制作的紫外光探测器对可见光和红外光不敏感,这对于在可见光和红外光背景中探测紫外辐射是非常重要的。 但由于SiC具有间接带隙,使得探测器灵敏度受到限制。,二、宽禁带半导体紫外探测器简介,(1) SiC紫外探测器, GaN的禁带宽度为3.4eV,是直接带隙半导体,它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。 GaN还具有高的辐射电阻、易制成欧
10、姆接触和异质结结构,这对制造复杂结构的器件非常重要。 三元合金AlxGa1-xN的禁带宽度随Al组分的变化可以从GaN(x0)的3.4eV连续变化到AlN(x=1)的6.2eV,因此理论上讲利用这种材料研制的紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm,是制作紫外探测器的理想材料之一。,二、宽禁带半导体紫外探测器简介,(2) GaN基紫外探测器, ZnO是一种新型的-族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构,具有相近的晶格常数和Eg,且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。 此外,ZnO薄
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