GaN基光伏型MSM结构紫外探测器研究

【摘要】： GaN基金属-半导体-金属(MSM)结构的紫外探测器因其平面型、工艺简单、便于集成等优点成为GaN紫外探测器(UVPD)研究的热门课题之一。本文针对基于GaN材料的金属-半导体-金属(MSM)型紫外探测器的设计,在现有理论基础之上,利用SILVACO软件中的ATLAS模块对其进行了模拟仿真,获得了该器件的暗电流与稳态光照下光电流的I-V特性曲线。本文着重研究了探测器不对称电极结构、势垒增强层以及光增益现象。 首先,研究了具有不对称功函数电极结构的MSM型探测器对于暗电流的抑制作用。研究发现,不对称结构探测器对于暗电流有明显的抑制作用,并且不会以牺牲光电流为代价。通过引入归一化的光电流与暗电流的比值(NPDR),在20V的偏压下,不对称结构Au-GaN-Ni MSM-PD的NPDR最高,为105μW~(-1),大约比Ni-GaN-Ni对称结构的MSM-PD高两个数量级。类似的,对具有不对称接触面积电极的MSM型探测器进行了研究,在20V的偏压下,对于总的电极接触长度和指间距相同的探测器,随着不对称程度的增加,暗电流下降大约3倍。随着电极不对称程度的加剧,对于暗电流的抑制作用更加明显。由于电极间距保持不变,所以光电流特性受到影响很小。 然后,研究了具有势垒增强层探测器的电流特性。研究发现,势垒增强p-GaN的载流子浓度为1.0×10~(17)cm~(-3),厚度为100nm时,在10V偏压下,暗电流为1.122×10~(-13)A,而普通结构器件暗电流为7.721×10~(-12)A。进一步的优化势垒增强p-GaN层发现,对于浓度较高的势垒增强p-GaN层,只需要很薄的一层就能显著增加肖特基势垒高度;对于浓度较低的势垒增强p-GaN层,则需要适当增加厚度以弥补载流子浓度的不足,才能较好增加肖特基势垒高度,从而减小暗电流。 最后,研究了探测器的增益现象。本文通过求解一维电流连续方程和传输方程,同时考虑GaN材料中陷阱的作用,建立了探测器在稳态光照下的I-V关系解析模型。该模型解释了在光照下电流与响应度随偏压变化的原因,利用该模型推导了稳态光照下的响应度模型,该模型解释了在GaN基MSM紫外探测器中所观察到的光增益现象。 【关键词】：GaN 紫外光探测器 MSM 电流特性 光增益
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TN23
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 GaN材料应用于紫外光电探测的背景9-10
• 1.2 GaN基紫外探测器研究进展10-13
• 1.2.1 光导型PD10-11
• 1.2.2 光伏型PD11-13
• 1.3 课题研究意义13-15
• 1.4 论文的主要研究内容15-16
• 第二章 GaN基MSM型紫外探测器16-27
• 2.1 MSM型探测器的器件结构和工作原理16-19
• 2.2 光电探测器主要参数及其物理意义19-21
• 2.3 MSM光电探测器结构与各参量之间的关系研究21-26
• 2.3.1 电极结构与时间常数的关系21-23
• 2.3.2 量子效率23-25
• 2.3.3 有源层参数的影响25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 具有不对称电极结构的MSM型紫外探测器27-42
• 3.1 电流模型27-33
• 3.1.1 肖特基结构电流特性27-31
• 3.1.2 MSM型探测器解析暗电流传输模型31-33
• 3.2 具有不对称功函数金属电极MSM型光电探测器33-38
• 3.2.1 理论和模拟33-35
• 3.2.2 模拟结果分析35-38
• 3.3 具有不对称接触面积金属电极MSM型光电探测器38-41
• 3.3.1 理论和模拟38-39
• 3.3.2 模拟结果分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 具有肖特基势垒增强层的MSM型紫外探测器42-53
• 4.1 肖特基势垒增强理论和技术42-45
• 4.2 具有势垒增强层GaN基MSM型光电探测器45-52
• 4.2.1 模拟计算所采用的器件结构和参数45-46
• 4.2.2 外加p-GaN层对器件暗电流的影响46-47
• 4.2.3 p-GaN层厚度、浓度等参数对器件暗电流的影响47-52
• 4.3 本章小结52-53
• 第五章 GaN基MSM型紫外探测器光响应特性53-62
• 5.1 模型建立53-58
• 5.1.1 光电流模型53-56
• 5.1.2 陷阱影响56-57
• 5.1.3 总电流和响应度57-58
• 5.2 模型验证与讨论58-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第六章 结论62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 攻硕期间取得的研究成果69-70

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