專利名稱:GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)的電子學(xué)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料器件的檢測(cè)技術(shù)，具體是指一種GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)中電子學(xué)分布特征的測(cè)量分析方法。
背景技術(shù)：
GaN基紫外探測(cè)器在航空及航天跟蹤與控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)與預(yù)警、醫(yī)療衛(wèi)生與生物工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。其中，以p-n結(jié)和p-1-n結(jié)為代表的結(jié)型光伏探測(cè)器結(jié)構(gòu)由于具有響應(yīng)速度快、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為GaN基探測(cè)器的主流器件結(jié)構(gòu)，尤其在紫外焦平面器件中被廣泛采用。在決定GaN基光電探測(cè)器工藝效果和器件性能的因素中，GaN及AlGaN功能材料的電子學(xué)特性如實(shí)際結(jié)電場分布、表面態(tài)密度、缺陷和雜質(zhì)電子特性的影響至關(guān)重要；特別是與材料缺陷相關(guān)的電子學(xué)行為在GaN基探測(cè)器中的影響比常用的硅基紫外器件中的影響要顯著得多。因此，對(duì)GaN基器件結(jié)構(gòu)的表面和體內(nèi)電子學(xué)分布特性進(jìn)行有效地表征，對(duì)于優(yōu)化工藝、改善器件性能有積極意義。
目前，針對(duì)GaN光伏型探測(cè)器性能的表征通常是采用宏觀的電流-偏壓(I_V)、電容-偏壓(C-V)等電學(xué)測(cè)量方法，1-V方法能夠檢測(cè)器件的暗電流等特性，并通過數(shù)值擬合對(duì)其起源進(jìn)行分析；而電容-偏壓(C-V)方法可用于檢測(cè)材料的界面電荷。另一方面，通過光電子能譜(UPS，XPS，AES)等技術(shù)分析材料的表面成分和原子價(jià)態(tài)，可以獲得半導(dǎo)體的表面電子結(jié)構(gòu)等信息。這些方法給出的是GaN材料器件的綜合電學(xué)、電子學(xué)特征，而半導(dǎo)體光伏探測(cè)器件通常包含P-n結(jié)等空間電場顯著遞變的區(qū)域，這類器件的臺(tái)面單元其側(cè)壁的電子能態(tài)受體內(nèi)能帶(電場)分布的影響，在結(jié)區(qū)附近，表面電子態(tài)的荷電狀況會(huì)出現(xiàn)劇烈變化；這些表面電荷及其引起的表面電場對(duì)器件結(jié)構(gòu)中光生少數(shù)載流子的分布、壽命都有直接的影響，從而左右器件的光電響應(yīng)`性能；加上GaN基II1-V族半導(dǎo)體是較為公認(rèn)的表面態(tài)密度高而且復(fù)雜的材料體系，因此需要高空間分辨能力的電子學(xué)分析手段。
本發(fā)明基于掃描探針顯微技術(shù)，通過對(duì)GaN光伏探測(cè)器結(jié)構(gòu)的表面-針尖相對(duì)電勢(shì)差空間分布的測(cè)量，結(jié)合數(shù)值模擬，直接給出器件側(cè)壁表面各區(qū)域的電荷密度，器件內(nèi)部和表面電場等分布信息，從而為器件性能的分析和優(yōu)化提供重要的參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有分析技術(shù)的不足，提供一種適用于GaN基紫外光伏探測(cè)器結(jié)構(gòu)的電子學(xué)檢測(cè)方法。該探測(cè)器結(jié)構(gòu)至少包括一襯底、一 P型層和一 η型層，其中P型層和η型層可以是GaN或AlGaN材料。本方法可以直接為臺(tái)面器件提供側(cè)壁和上表面各位置處的表面電荷密度、電場分布等信息。本發(fā)明的依據(jù)是器件結(jié)構(gòu)的表面能帶分布主要由功能材料體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的表面電荷密度共同決定的；因而對(duì)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)確定的器件結(jié)構(gòu)，通過考慮表面電荷影響的數(shù)值模型計(jì)算得到表面能帶分布，并與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值進(jìn)行比對(duì)擬合，可以獲得器件表面電荷密度的空間分布，同時(shí)可以由模擬結(jié)果得出如表面和體內(nèi)的電場分布等信息。[0006]此方法首先檢測(cè)GaN基器件結(jié)構(gòu)表面相對(duì)導(dǎo)電針尖的電勢(shì)及其分布。包括在器件結(jié)構(gòu)上表面蒸鍍金屬并退火制作形成歐姆接觸電極，其中，如果上表面層為η型結(jié)構(gòu)，則蒸鍍的金屬電極為Ti/Al ;如果上表面層為P型結(jié)構(gòu)，則蒸鍍的金屬電極為Ni/Au。然后劃片獲得光潔平整表面，再以歐姆接觸電極作為公共電極，測(cè)量器件的上表面和剖面深度方向，包含不同摻雜區(qū)域和材料組分層表面相對(duì)導(dǎo)電針尖的電勢(shì)qjsp, dev及其分布，該相對(duì)表面電勢(shì)分布可以由掃描探針顯微鏡的表面電勢(shì)成像模式測(cè)得。
其次，對(duì)得到的相對(duì)表面電勢(shì)分布進(jìn)行定標(biāo)，獲得器件結(jié)構(gòu)的表面能帶分布。包括測(cè)量一種金屬(金Au或者鉬Pt)光潔表面和導(dǎo)電針尖之間的相對(duì)表面電勢(shì)qeVsp,m ;再根據(jù)公式E。=確定GaN基探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)表面任一處的導(dǎo)帶相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置Ε。，其中Φπ代表定標(biāo)金屬的功函數(shù)，X表示器件各層材料的電子親和能。
最后，以數(shù)值模型擬合表面能帶分布，分析器件結(jié)構(gòu)表面和體內(nèi)的電子學(xué)分布特征。對(duì)器件結(jié)構(gòu)的數(shù)值建模采用商用軟件進(jìn)行，并加入兩類材料和工藝因素，一是表面電荷及其分布因素，包括器件結(jié)構(gòu)上表面的填充電荷和臺(tái)面器件單元側(cè)壁的表面電荷分布；二是GaN基材料離子注入制成p-n結(jié)時(shí)的注入分布效應(yīng)。
對(duì)臺(tái)面器件側(cè)壁的表面電荷分布，米用在材料生長方向上分層建模的方法。每一單層的側(cè)壁分配獨(dú)立的表面電荷種類和密度擬合參量，單層厚度為2到200納米，具體數(shù)值由材料體內(nèi)生長方向能帶分布的梯度決定能帶分布緩變的區(qū)域設(shè)定較寬的層厚，反之，能帶遞變顯著的區(qū)域設(shè)定較薄的層厚。
在數(shù)值模擬中，功能材料層的成分、厚度以及摻雜等參數(shù)根據(jù)器件的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)定。
由數(shù)值模型計(jì)算表面能帶相對(duì)位置及分布，并與實(shí)際測(cè)量得出的曲線進(jìn)行對(duì)比擬合，得出器件上表面和剖面的電荷密度分布。在此基礎(chǔ)上，得到器件結(jié)構(gòu)表面以及體內(nèi)的電場分布等信息。
與現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在對(duì)GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)電子學(xué)特征的空間分辨能力，從而能夠給出器件結(jié)構(gòu)表面電荷的極性和密度分布，并由此確定GaN或AlGaN表面的電中性能級(jí)。另一方面，這種電子學(xué)分辨能力也適用于GaN基紫外探測(cè)器面陣中單元器件的分析。
此外，由于本發(fā)明對(duì)器件結(jié)構(gòu)剖面電子學(xué)分布的檢測(cè)分析能力，而對(duì)于臺(tái)面型的GaN基光伏探測(cè)器，該剖面等同于單元器件的側(cè)壁，因此本發(fā)明的這一特點(diǎn)為建立臺(tái)面型器件結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型提供重要參數(shù)，從而有助于進(jìn)一步分析和優(yōu)化器件的電學(xué)和光電性倉泛。


圖1為本發(fā)明的相對(duì)表面電勢(shì)測(cè)量示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中GaN基p-n結(jié)結(jié)構(gòu)剖面生長方向相對(duì)導(dǎo)電針尖的表面電勢(shì)分布。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中導(dǎo)電針尖在鉬和n-GaN表面測(cè)得的相對(duì)電勢(shì)與針尖-試樣間距的關(guān)系。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)際測(cè)量和數(shù)值模擬得出的GaN器件結(jié)構(gòu)p_n結(jié)及其臨近區(qū)域的表面能帶分布。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中得出的GaN p-n結(jié)附近表面電荷密度分布曲線。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中得出的考慮了側(cè)壁表面電荷效應(yīng)的GaN p_n結(jié)二維電場分布。
具體實(shí)施方式
下面以GaN p_n結(jié)結(jié)構(gòu)為實(shí)施例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明
圖1是本發(fā)明的測(cè)量示意圖，該方法適用的探測(cè)器結(jié)構(gòu)至少包括一襯底、一 P型層和一 η型層，其中P型層和η型層可以是GaN或AlGaN材料，其中試樣的制備包括公共電極的引出和剖面的制備。公共電極由器件的上表面蒸鍍一層金屬，經(jīng)退火后形成歐姆接觸而引出；待測(cè)剖面由金剛石刀劃片自然解理獲得。
在本實(shí)施例中，所測(cè)的器件結(jié)構(gòu)沿材料生長方向依次是藍(lán)寶石襯底層、非故意摻雜GaN緩沖層、P型GaN層以及η型GaN層，其中η型導(dǎo)電層由Si離子注入形成。在η型GaN層的上表面蒸鍍Ti/Al，退火后形成歐姆接觸，見圖1。樣品解理后固定在測(cè)量基片上，其中解理面垂直向上，公共電極經(jīng)由基片引出。表面電勢(shì)的測(cè)量采用美國Veeco公司生產(chǎn)的Multimode Nanoscope IV掃描探針顯微鏡的表面電勢(shì)成像模式,選用Pt涂層的導(dǎo)電針尖。
根據(jù)上述方法由表面電勢(shì)成像方法測(cè)得的剖面-針尖相對(duì)電勢(shì)分布見圖2，不同材料和摻雜區(qū)域以及它們之間的過渡區(qū)域在測(cè)量表面的表面電勢(shì)分布都可以清晰地呈現(xiàn)出來。
對(duì)相對(duì)表面電勢(shì)的定標(biāo)選用新蒸鍍的Pt薄膜作為標(biāo)準(zhǔn)金屬試樣，圖3是導(dǎo)電針尖在Pt薄膜和η型(6X IO18CnT3)GaN表面不同距離測(cè)得的相對(duì)電勢(shì)，為保證可比對(duì)性和降低定標(biāo)誤差，對(duì)兩種試樣的測(cè)量采用了相同的導(dǎo)電針尖和參數(shù)設(shè)置。圖3顯示，雖然隨著針尖-試樣間距增加，測(cè)得的相對(duì)電勢(shì)也發(fā)生變化，但兩種試樣相對(duì)電勢(shì)之差qVsp, GaN-qVsp, Pt基本維持在275±8meV，體現(xiàn)良好的置信度。再利用關(guān)系式Ε。=m+qeVsp, dev-x計(jì)算出圖2中任一點(diǎn)相對(duì)電勢(shì)對(duì)應(yīng)的表面導(dǎo)帶相對(duì)費(fèi)米能級(jí)位置，并得到表面能帶分布(圖4的數(shù)據(jù)點(diǎn))。
由Sentaurus Device軟件建立所測(cè)體系的數(shù)值模型對(duì)獲得的表面能帶分布進(jìn)行擬合，其中試樣的材料結(jié)構(gòu)、摻雜條件和參數(shù)按照實(shí)際情況給定；在GaN材料生長方向上分層建模以獲得側(cè)壁表面可調(diào)的電荷種類和密度分布；單層的厚度在P-n結(jié)和η型摻雜濃度遞變區(qū)域?yàn)?到5納米以反映體內(nèi)較強(qiáng)的能帶變化趨勢(shì)，而在典型的P型和η型區(qū)，由于體內(nèi)能帶平滑，則采用20至100納米的層厚。由此以各層表面固定電荷種類和密度作為變量，擬合得到和測(cè)量值相一致的側(cè)壁表面能帶分布(圖4);圖5給出了相應(yīng)的p-n結(jié)附近的表面固定電荷分布，值得提出的是，表面電荷密度分布對(duì)體內(nèi)相對(duì)能帶位置的微分即是GaN禁帶中的表面電子態(tài)密度分布。
從模擬結(jié)果中，還可以計(jì)算得到器件表面和體內(nèi)的電場分布等信息(圖6)，從而有利于預(yù)測(cè)和分析相似工藝條件下制成的臺(tái)面型GaN器件單元的性能。
以上所述的實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的范圍不僅局限于上述具體實(shí)施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)的電子學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于包括如下步驟1)在GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)的上表面的η型或ρ型導(dǎo)電層上蒸鍍金屬，并退火形成歐姆接觸電極；2)將GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)劃片，形成平整的剖面；3)以蒸鍍的金屬電極作為公共電極，測(cè)量GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)上表面和剖面與導(dǎo)電針尖之間的相對(duì)表面電勢(shì)qjsp, dev及其分布；4)對(duì)所測(cè)得GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)剖面的相對(duì)表面電勢(shì)分布進(jìn)行定標(biāo)，獲得GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)剖面的表面能帶分布，定標(biāo)包含下列步驟首先，測(cè)量一種金屬光潔表面和導(dǎo)電針尖之間的相對(duì)表面電勢(shì)qjsp,m，該金屬是金或者鉬；其次，GaN基探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)表面任一處的導(dǎo)帶相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置E。由公式E。= ^m-Qevsp, Di+Qevsp, dev_ X給出，其中Φ m代表定標(biāo)金屬的功函數(shù)，X表不器件各層材料的電子親和能；5)根據(jù)實(shí)際GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)，建立數(shù)值模型；所述的數(shù)值模型建模采用 Sentaurus Device商用軟件進(jìn)行，并加入兩類材料和工藝因素，一是表面電荷及其分布因素，包括器件結(jié)構(gòu)上表面的填充電荷和臺(tái)面器件單元側(cè)壁的表面電荷分布；二是GaN基材料離子注入制成P-η結(jié)時(shí)的注入分布效應(yīng)；所述的數(shù)值模型中對(duì)臺(tái)面器件側(cè)壁表面電荷分布，采用在材料生長方向上分層建模的方法，每一單層的側(cè)壁分配獨(dú)立的表面電荷種類和密度擬合參量，單層厚度根據(jù)材料體內(nèi)生長方向能帶分布的梯度設(shè)為2到200納米；在數(shù)值模擬中，功能材料層的成分、厚度以及摻雜參數(shù)根據(jù)器件的實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)定；6)利用數(shù)值模型擬合測(cè)得的表面能帶分布，獲得GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)剖面上的表面電荷極性及密度分布；7)由數(shù)值模擬結(jié)果給出GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)表面及體內(nèi)的電場分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)的電子學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于在步驟3)中所述的測(cè)量GaN基被測(cè)器件結(jié)構(gòu)上表面和剖面與導(dǎo)電針尖之間的相對(duì)表面電勢(shì)的測(cè)量使用掃描探針顯微鏡的表面電勢(shì)成像模式。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種GaN基光伏探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)的電子學(xué)檢測(cè)方法，該方法是通過測(cè)量導(dǎo)電探針與器件結(jié)構(gòu)剖面以及上表面的電位差并進(jìn)行定標(biāo)，得出器件結(jié)構(gòu)的表面能帶分布；再對(duì)得到的表面能帶分布進(jìn)行數(shù)值擬合，給出所測(cè)臺(tái)面器件結(jié)構(gòu)的表面電荷密度分布、表面及體內(nèi)的電場分布等信息。本方法可以對(duì)GaN基光伏型探測(cè)器件功能材料各個(gè)區(qū)域的電子學(xué)分布特性給予直觀的評(píng)估；對(duì)于改善GaN基光伏探測(cè)器件性能和優(yōu)化器件設(shè)計(jì)都有重要價(jià)值。
文檔編號(hào)G01Q60/30GKCN101769941 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 201010101896
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2010年1月27日
發(fā)明者李天信, 殷豪, 夏輝, 陸衛(wèi), 包西昌, 胡偉達(dá), 李寧, 李志峰, 陳效雙, 李向陽 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (3),