中国科学院半导体研究所：不同 Al 组分的 AlGaN 紫外肖特基探测器的漏电特性 | MDPI Nanomaterials

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作者简介

通讯作者

赵德刚 研究员

中国科学院半导体研究所

2009 年获得国家杰出青年科学基金，2011 年获得中国青年科技奖，2017 年入选国家百千万人才工程。国家重点研发计划首席科学家、享受国务院政府特殊津贴专家、有突出贡献中青年专家、中国科学院特聘研究员。长期聚焦于 GaN 基光电子材料与器件研究，解决了 GaN 材料大失配异质外延技术等关键难题，制备出了高质量的 GaN、AlN、AlGaN 材料，并以此为基础，研制出我国第一支电注入激射 GaN 紫外激光器、AlGaN 紫外激光器、长寿命大功率蓝光激光器以及紫外雪崩光电探测器。发表 SCI 论文 300 余篇，获得国家发明专利 40 余项。

杨静 副研究员

中国科学院半导体研究所

2019 年加入中国科学院青年创新促进会，2020 年入选北京市科技新星计划，2022 年度主持国家重点研发计划青年科学家项目。一直从事 AlGaN 基材料的 MOCVD 生长、紫外光电子器件制备及相关物理机理的研究。制备出低电阻率的 AlGaN 材料，解决了紫外激光器载流子阱外损耗问题，并研究了 GaN/AlGaN 探测器的漏电机理及抑制方法。于 2022 年实现国内唯一的电注入激射 AlGaN 紫外激光器 (激射波长 357.9 nm)。同年制备出室温连续输出功率 3.8 W 的大功率紫外激光器。近年来发表 SCI 论文 100 余篇，其中作为第一作者发表 31 篇。作为第一发明人授权专利 8 项。

文章导读

AlGaN 紫外探测器在火焰预警、生化检测、导弹跟踪以及生物医学等领域发挥着重要作用，漏电流是制约探测器性能的关键因素。因此，研究漏电机制及漏电来源是制备高性能紫外探测器的前提，并且也会对 AlGaN 基紫外激光器的研究起到推动作用。

中国科学院半导体研究所赵德刚研究员、杨静副研究员等人在 Nanomaterials 期刊上发表的文章，研究了不同 Al 组分的 AlGaN 紫外肖特基探测器的漏电特性。结果表明随着 Al 组分的增加，AlGaN 紫外探测器的漏电流增加。其机制是随着 Al 组分增加，AlGaN 材料中空位缺陷增加，导致隧穿电流增加，肖特基势垒的高度降低。因此，减小材料中的空位缺陷浓度对于提高 AlGaN 肖特基探测器性能十分重要。

主要内容

作者制备了五个不同 Al 组分的 AlGaN 肖特基探测器样品 T0~T4。五个样品的区别在于生长时 i-AlGaN 层的 Al 流量不同，分别为 0 μmol/min、2 μmol/min、3 μmol/min、4.5 μmol/min、6 μmol/min，这使得五个样品的 i-AlGaN 的 Al 组分逐渐增加。其 I-V 曲线如图 1 所示。可以看到，这五条 I-V 曲线之间存在着显著差异，T0~T4 在反向偏置电压为 -2V 时，得到的反向电流分别为 6.2×10^-8 A、1.4×10^-7 A、4×10^-7 A、9.9×10^-6 A、5×10^-6 A，即探测器漏电流随 i-AlGaN 层 Al 组分的增加而增大。

图 1. T0~T4 样品的 I-V 曲线，插图是肖特基探测器的结构示意图。

为了阐明探测器漏电流随 i-AlGaN 层 Al 组分增加而增大的原因，作者对五个样品采取了多种表征手段：利用高分辨 X 射线衍射 (HRXRD) 测试了 T0~T4 样品的 (102) 与 (002) 面半高宽，并利用二次离子质谱 (SIMS) 测试了 T0~T4 样品的杂质浓度，发现五个样品的位错密度及杂质浓度都没有明显差别，说明位错和杂质都不是影响本系列探测器暗电流的根本原因。

除了位错和杂质外，空位也是 GaN 基材料中的重要缺陷。作者利用正电子湮没技术测量了 T0~T4 样品中的空位缺陷密度。从图 2 (a)、(b) 中可以看出，随着 Al 含量的增加，S 参数增大，W 参数减小；这表明材料中阳离子空位缺陷浓度增加，并且各样品的 S 参数和 W 参数显线性关系，说明只存在一种空位缺陷。作者推测这种空位缺陷可能是 Ga 空位或其络合物。因此随着 Al 组分的增加，AlGaN 紫外肖特基探测器的漏电流增加可能是由于空位缺陷浓度增加，一方面造成载流子隧穿几率增加，另一方面降低了肖特基势垒高度。

图 2. (a) 5 个样品中低动量参数 S 和高动量参数 W 与正电子入射能量 E 的关系曲线。(b) S 参数和 W 参数与 Al 组分的关系曲线。(c) 偏置 -2V 时的反向电流 (蓝色) 和 S 参数 (红色) 与 AlGaN 中 Al 组分的关系；插图为样品 T0~T4 的反向 I-V 曲线。(d) YL/AlGaN 比值与 Al 组分的关系曲线；插图为 5 个样品的 PL 光谱。

文章总结

本文研究了 AlGaN 肖特基紫外探测器的漏电机制。结果表明，AlGaN 肖特基紫外探测器的漏电流随着 i-AlGaN 层的 Al 组分的增加而增加。正电子湮没的结果有力的证明了在 AlGaN 材料中，空位缺陷浓度随着 Al 组分增加而增加。因此，AlGaN 紫外肖特基探测器的漏电流增加可能是由于空位缺陷增加，造成载流子隧穿几率增加，或者降低了肖特基势垒高度。该研究表明，空位缺陷浓度是影响 AlGaN 探测器漏电流的一个重要原因，为制备高性能 AlGaN 探测器提供新的方向。

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原文出自 Nanomaterials 期刊

Huang, Y.; Yang, J.; Zhao, D.; Zhang, Y.; Liu, Z.; Liang, F.; Chen, P. A Study on the Increase of Leakage Current in AlGaN Detectors with Increasing Al Composition. Nanomaterials 2023, 13, 525.

   Nanomaterials 期刊介绍

主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2021 Impact Factor	5.719
2021 CiteScore	6.6
Time to First Decision	12.7 Days
Time to Publication	33 Days

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