研究掺杂浓度对n-GaN和p-GaN载流子浓度和迁移率的影响

　　GaN是一种重要的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，是制备蓝光和紫外波段半导体发光器件的理想材料。目前广泛使用的掺杂技术是用镁选择p型氮化镓材料。因为GaN的生长过程中，Mg结合在高温生长气氛氨分解产生的氢形成Mg-H复合体。因此，有必要在高温下直接退火以激活镁，从而获得较高的p电导率[2]。迄今为止，优良的p型导电GaN的获得仍是一个有待进一步研究和解决的难题。对GaN中的一些杂质和缺陷强烈影响的电学性质深入研究具有重要意义。

　　目前，此外,由于GaN缺少理想的晶格匹配衬底,其材料生长存在严重的晶格失配,致使GaN体材料中有较大的缺陷密度[4]。这些缺陷一般认为是施主性质的[1],它们在p-GaN中补偿了一部分受主,导致p-GaN中载流子浓度的降低[5]。它具有优异的化学和物理稳定性，在禁带宽度为1.9到6.2eV室温中可以实现蓝光和紫光的发射。在光电子学领域具有广阔的应用前景[1～3]。氮化镓本身的物理性质决定了这两种方法是不可接近的。首先，GaN的禁带宽度3.4eV、和电子亲和势为41eV，有一个较大的肖特基势垒p-GaN和金属之间。其次，C和O杂质吸附在p-GaN表面高温处理，如材料的生长和退火过程中会形成一层绝缘。金属电极与氮化镓材料之间形成附加势垒，使接触势垒高度增加。

　　最近的研究表明，除了金属电极的工作功能和非金属材料的空穴浓度外，非金属材料欧姆接触与材料表面状态密切相关。许多国际研究小组通过湿表面处理改变了样品表面的物理和化学状态，得到了低电阻的p型欧姆接触（6～8）。然而，目前尚缺乏对中国氮化镓材料的物理性能和化学性能报告。此外，由于缺乏理想的晶格匹配衬底，GaN在材料生长中存在严重的晶格失配，导致GaN体材料中存在较大的缺陷密度（4）。这些缺陷通常被认为是[1]供性能，弥补在p-GaN受体的一部分，导致了[5]p-GaN载流子浓度降低。此外，在p-GaN受体钝化的存在[1]，这使得空穴浓度低于p-GaN材料氮化镓电子浓度（1018结构）。

　　为了研究p-GaN表面状态对其欧姆接触特性的影响,我们采用X射线光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)等表面分析手段对p-GaN材料表面进行了分析;并在这些样品上制作了金属电极,对其I-V特性进行了测试。然后通过分析样品表面的镓氮元素化学比(Ga/N)以及C,O含量和样品的电极接触特性,探讨了GaN表面的物理化学特性与金属电极接触特性之间的内在联系。

　　但只有界面状态的影响到击穿电压的降低注意到未加保护环，表面没有钝化层，所以耗尽区内电场的横向分布会影响击穿电压。由于耗尽区电场强度的横向分布，会产生电场的表面，而表面部分对击穿电压的影响是不容忽视的。由于曲率半径越小，电场强度越大。当小曲率半径部分电场强度达到击穿临界电场强度时，首先击穿该部分，降低肖特基结击穿电压。辐照引起的氮空位破坏了耗尽区两侧电荷的平衡，导致电场强度增大，击穿电压降低。

　　一般认为原子位移需要在较高温度下退火才能恢复。当界面状态对击穿电压有很大影响时，100℃退火可以恢复反向击穿电压。实验结果表明，在100℃左右辐照有助于减小辐照对肖特基势垒二极管的影响。这是由于在约100摄氏度照射，并诱导缺陷将产生和退火，以恢复[8]在同一时间内。在异质的激光二极管的高温辐射，[9]和其他材料和设备也观察外观和高温下的界面缺陷消失[10][11]。

　　结果表明，氮化镓肖特基势垒二极管的辐射损伤可以在100℃左右辐射，因为GaN基器件可以在高温下工作，该器件工作在100℃，并提高了辐射损伤的阈值。曲率部分易受辐照诱导空位的影响，使击穿电压降低。辐射产生的晶格缺陷也可能导致肖特基端击穿或软击穿。我们认为界面缺陷主要是原子间的粘结断裂而不是位移。由于断裂所需的能量小于原子位移所需的能量，低温退火可以使断裂的粘结恢复。

　　经过一定量的电子辐照后，样品可以检测到较长波长的紫外光和可见光。然而，样品对可见光的灵敏度不同。随着反向漏电流的减小，样品对可见光的灵敏度降低，可见光下暗电流和暗电流的差异减小，可见光的光电流减小。研究了高温电子辐照对GaN肖特基势垒紫外光探测器光敏性的影响。讨论了荧光灯在不同温度下100次辐照后不同温度下样品的电流电压特性。照射前，样品只能探测到254nm的紫外光。

　　当反向电压为10V，在不同的照射下光暗电流差与注射量。当注入量达到5×1015e/平方厘米，光暗电流差较小，和光暗电流差在100 C是最小的。其结果是在不同的照射下反向电压10V磁通量的变化相一致。GaN材料的禁带宽度3.4eV、及相应365nm长波极限。254nm的紫外线光子的能量4.88ev，其能量远远大于GaN的禁带宽度。

　　故用254nm紫外光照射样品时,GaN价带的电子吸收足够能量的光子跃迁到导带。对可见光(波长范围430-690nm,对应的光子能量为1.77-3.1eV,其中波长为435.8nm的光强最强,相应的光子能量为2.84eV)而言,由于其光子能量远小于GaN的禁带宽度,没有足够能量跃迁,故不产生光电流。

　　在研究Ｓｉ掺杂ｎ型ＧａＮ的黄色发光起源时提到过弱的蓝光发射,但对蓝光的发射机理并未进行研究。本文将对非掺杂ｎ型ＧａＮ的蓝光发射进行研究,对其发光机制给出合理的解释。1ＧａＮ样品与光谱仪简介本文实验研究所用样品由X坎萨斯州立大学(ＫａｎｓａｓＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)提供的。采用ＭＯＣＶＤ方法制备,生长在宝石衬底上。非掺杂ＧａＮ样品膜厚约15μｍ,电子密度10×1017ｃｍ-3。

　　关于n型氮化镓黄光发射的研究报道很多。其发光机理主要为浅施主主要跃迁辐射复合，主要由镓空位及其与氮位配合物生成，黄河带的密度是非常大的，不容易饱和。检测的样品在430450和480nm激发光谱显示。第一激发态电子转移到导带中的蓝色发光带，直到蓝带水平饱和，然后其余的激发电子向黄色发光带转移。因此，由于低浓度的蓝光饱和，大量的剩余电子发射黄光黄。较弱的激发的电子几乎全部变成蓝色，蓝色的比黄光强。

　　我们可以推断，蓝色发光能级的密度很低，而且很容易饱和，而黄色发光层的密度很大，不易饱和。而导带中的激发电子对蓝带传输速率的速率远远大于对黄色的传输速率。F-4500型光谱仪应用于日立自动光栅光谱仪的生产试验。激发波长的选择和扫描以及荧光光谱的扫描都是由计算机自动控制的。波长扫描重复误差小于2nm。GaN样品的激发光谱结构，每个波长的光谱值，检测波长侧标、发光机理分析表明，黄色发光强度的峰值550nm波长取决于激发强度和427~496nm波长范围与激发强度依赖的蓝色发光强度强很弱；如谱当激发强度增加20倍，黄色的发射强度急剧增加，然而蓝带发光强度几乎是相同的。如果2、3、2m和3m的光谱表明，当激发光强衰减3倍时，随着蓝光发射强度的衰减，而黄色发光强度衰减较大，蓝色强度的强度比较弱。

　　图1：电极制备完样品结构

　　GaN可能产生的缺陷主要是镓空位（VGA），氮空位（VN）、氮氧替代（上），如氧、氮、氢站间的杂质，镓。通过对地层能量的理论计算，结果表明：（6）n GaN中容易生成3种缺陷，而间质杂质不易形成，即相间杂质浓度很低。根据我们的实验，我们发现蓝光非常微弱且饱和，我们认为施主能级可能来自于插入杂质n型氮化镓的蓝光发射研究。因此，同样的蓝光发射机制是施主发射。没有足够的证据证明蓝光发射的最终状态，或者确定蓝光发射是施主-受主型还是施主-价带发射。峰值位移的温度依赖性还需要进一步研究。由于实验条件的限制，目前尚不可能进行这种实验研究。这是可能的，因为样品没有掺杂，所以它来自缺陷态和固有元素杂质。

　　430和450nm激发光谱表明，导带激发效率（禁带宽度370nm）低于下带激励，这意味着相应的蓝光发射不能传导引起的过渡。可能的发射机制是由供体发射的价带和供体-受体（DA）的过渡。480nm激发光谱表明，导带激发比下带激励更有效，但我们认为这是一种假象。黄色发光带带尾其实与蓝色发光带尾重叠，和黄光发射效率远远大于蓝色的光，因此，我们认为，480nm激发光谱是由黄色的带尾态的影响，所示为在430,450和480ｎｍ处探测的样品的激发谱。

　　目前，载流子浓度是由霍尔测量单层材料主要是测量，但在装置的p-GaN有时不同于单层材料。如果我们能找到一个测量装置结构p-GaN载流子浓度和验证霍尔的测量方法，为装置的制备更有益。提出了测量p-GaN载流子浓度的新方法。长期和短期的P-N+结构GaN探测器量子效率和波的反向偏置电压主要用来寻找偏置电压时，p-GaN层完全耗尽之间的偏置电压，从而得到p-GaN层的载流子浓度。仿真结果证明了该思想的正确性。受p-GaN层厚度的影响，在测量精度和p-GaN厚度和浓度之间的关系，研究了表面复合速率。给出了实际的p-GaN样品测量的指导意见。GaN材料被称为第三代半导体，在光电子和微电子领域有着重要的应用。经过多年的努力，氮化镓基半导体器件在[1]方面取得了重大突破。研制了高性能蓝光绿光二极管、蓝光激光器、紫外探测器等，特别是高亮度LED已商业化。p型掺杂GaN材料的实现对器件的发展和发展起着非常重要的作用，准确测量p的载流子浓度在器件设计和制备中也起着非常重要的作用。

　　测量p-GaN浓度的装置结构及基本思想是用来测量p-GaN载流子浓度p+检测器的结构。该装置结构包括一层的欧姆接触层的n+-GaN和一个与p-GaN有源层的光响应范围。当紫外线光从前面照射到器件、光电子空穴对将在p-GaN层产生，然后将光电子空穴在电场作用下产生的空间分离，然后形成光电流。我们相信，P-N+可以使用探测器结构的光谱响应测量薄膜的载流子浓度，基本思路如下：在这种结构中，入射光被吸收的p-GaN层，由于不同的吸收系数，在p-GaN层不同波长光的穿透深度是不同的，如果p-GaN层还没有完全耗尽，量子效率在零偏压长波和短波（或响应）会有较大的差距，但随着反向偏压的增加，两个波长的差距逐渐缩小的量子效率，如果在p-GaN层完全耗尽，差距达到一个稳定值，当反向偏压继续上升，变化这种差别基本上没什么大不了的。

　　图2：非参杂GaN激光光谱

　　在本文的仿真，对n+载流子浓度和厚度固定为5×1018cm-3,1μm。我们把p-GaN层浓度是GaN层。最后的仿真结果表明，载波浓度与设定值相差不大，证实了该思想的正确性。我们还研究了表面复合速率的影响，在测量厚度与p-GaN层的浓度。很容易如果电压发现完全筋疲力尽找到p-GaN层的载流子浓度。为了证明这个我们认为是正确的或不，我们利用P-N+探测器结构进行测量，在宾夕法尼亚大学的AMPS软件模拟分析[12]在素描p-GaN载流子浓度的新方法，通过求解泊松方程和连续性方程的软件，获取设备的物理特性，是一个特殊的半导体器件，是分析光伏器件[13 15]自然是一个强大的工具。

　　在模拟计算中，我们首先假设p-GaN层的载流子浓度和厚度是1×1017cm-3,0.3μm分别与表面复合速率为1×105cm/我们计算反应谱的P-N+结构探测器反向偏压下0～20V。结果表明，响应光谱的装置下的反向偏置电压的0，2，4，6，和8v可以看出，这些反应谱的形状变化很大。当反向偏压的增加到2V，在长波和短波降低量子效率之间的差异，和量子效率的下降率随着波长的减小而。随着反向偏压的进一步增大，不同波长的量子效率也随之降低，响应谱形状趋于平滑。0V偏压下，长波和短波是非常大的量子效率之间的差异。随着波长的减小，量子效率的降低更为明显。

　　入射波长361nm，在0V偏压下，量子效率为0.6198，随着反向偏压的增加，量子效率逐渐增加，当反向电压增加到6V，量子效率为0.6516，当反向电压的进一步增加，量子效率几乎没有什么大的变化。入射波长为250nm，在0V偏压下，量子效率为0.5910，随着反向偏压的增加，量子效率逐渐增加，当反向电压增加到6V，量子效率为0.6925，当反向偏压的不断增加，量子效率几乎达到了一个小的变化，稳定的价值。当反向偏压增加到6V，反应谱的形状很光滑。当反向偏压继续增加到8V，光谱形状基本不变。为了进一步研究性质的反应谱的p-n+结构GaN探测器在反向偏置电压的0，2，4，6和8V，得到在长、短波长的探测器的量子效率。结果表明，该装置在361250nm量子效率取决于反向偏置电压。

　　根据物理N+结耗尽区主要集中在附近的n+侧p-GaN层GaN层，在0V偏压下，耗尽层宽度比较小，在250nm处的光子，穿透深度很浅，大量的近地表吸收的光生电子空穴也在表面产生的光子，由于相对远离现场，很多光生电子在电场传播到前复合关闭的边缘，这种器件的量子效率是比较小的，但是波长的光子361nm，穿透深度深，大量的光生电子-空穴在电场区域产生，一旦产生，光生电子-空穴对将很快被强大的内建电场分为光电流，此外，在外电场的光生电子的产地也是电场部分能够扩散到光电区形成的流场，这样的器件的量子效率比较大为0V偏压下。

　　入射光波长在361,250nm处器件的量子效率随反向偏压变化关系还注意到一个有趣的现象:在0V偏压下,入射光波长为250nm时的量子效率小于入射光波长为361nm的量子效率,但是随着反向偏压的增加,入射光波长为250nm的量子效率增加更快,在-2V偏压下,两者就已差不多了,当反向偏压继续增加时,250nm处的器件量子效率已经超过361nm处的量子效率了,最后在-6V偏压下达到一个稳定的值,这时250nm,361nm处的量子效率分别为0.6925,0.6198,250nm处表现出来的量子效率更高。从吸收系数与光子能量的关系表达式[16],很容易在p-GaN层得到250nm和361nm光子平均渗透深度，0.036μm，0.26μm，分别。因为在装置的p-GaN层厚度为0.3米，这是很容易看到，在波长361nm光子穿透深度的基本厚度相同，并用波长250nm光子穿透深度浅得多。

　　当反向偏压的增加随耗尽区的宽度也增大，并进一步扩展到p-GaN层表面时。在入射光250nm，更多的光生电子能扩散到该区域的边缘和电灯电流和361nm入射光的形成，因为有了光生载流子能够形成光电流充足，尽管耗尽区进一步扩展到表面，增加器件的量子效率不是那么明显。如果表面复合速率不是很高，最后由250nm处入射光产生的光生电流比的361nm入射光形成的光电流更。如果在361nm光是在250nm处电流相减，差的也应该有一个类似的规则。

　　长波361nm量子效率（定义为η1）和短波250nm量子效率（定义为0者之间的差异（ETA）定义为Δη=ηη1-0）与外部反向偏置。当反向电压为0V，361nm 250Nm量子效率价值三角洲是最大的，随着反向偏压的增加，差异有逐渐减轻的趋势，当反向电压增加到约6V，趋于一个稳定值，再继续增加反向偏置，三角洲ETA几乎没有改变。这主要是由于在0V偏压，耗尽区的宽度比较小，其中大部分都集中在附近的n+侧p-GaN层GaN。随着反向偏置电压的增加，耗尽区逐渐扩展到p-GaN层的表层。入射光在两个波长处产生的光电流会增加。只因为250nm光子穿透深度浅，增加更为明显。当整个p-GaN层完全耗尽，光电流的差距达到一个稳定值。当偏置电压继续增加，长、短波光不会作为p-GaN层已完全耗尽的显著变化之间的差距。也就是说，δδ的变化曲线和表观量子效率在形成临界点（或拐点）时，超过临界点时，差异不会显著变化。临界点的电压施加反向偏压时的p-GaN层精疲力竭。

　　p-GaN层的外部偏置约-6V时筋疲力尽。为了确认-6V的p-GaN层完全耗尽，我们计算电场分布在不同的反向偏压下的结构可以看出，0V偏置，耗尽区的宽度只有0.2米左右，大多集中在靠近N+p-GaN层的GaN身边，靠近表面区域的p-GaN层不会枯竭。当反向偏压的增加到2V、4V，耗尽区的宽度增加到0.27μm的分别，并在p-GaN层耗尽区逐渐扩大到近表面区域。当反向偏压增大到-6V偏压，耗尽区的宽度为0.3μm，这是扩展到整个p-GaN层。当反向偏压增大到8V，在整个耗尽区的电场强度进一步增加，但耗尽区的宽度并没有增加。

　　从装置的结构可以测出器件的量子效率在p-GaN表面复合率非常高的表面复合的影响。如果表面复合速率很低，在p-GaN层完全耗尽，所有的光生载流子在电场，光生载流子的绝大部分会形成光电流，甚至继续在反向偏压的增加，电场强度将进一步增强，光生电子孔分离空间的效率不会受到明显的影响。当表面复合率很大时情况不同。此时，电子-空穴对的空间分离很容易受到电场强度的影响。

　　电场分布的计算结果表明，p-GaN层完全耗尽的-6V偏压下。的关系361nm和250nm之间在短波量子效率值Δη和施加反向偏置（反向偏置为0、-2、-4、-6、-8v下的电场分布）根据关系耗尽层宽度和反向偏置，我们可以很容易地计算出p-GaN层的载流子浓度，其计算公式如下：[17]NA=2 E S（VR+/QW2/VBI），（1）在NA p-GaN层的载流子浓度，W是耗尽区的宽度，其中W下-6V偏压等于0.3 m，q为电子电荷，Sε是GaN材料的介电常数，等于8.9×8.854×10-12fm-1，VBI GaN p-n+内置的势垒，可以约等于3V，VR是反向BIA的，可以学习，其中VR是6V。载流子浓度的p-GaN层根据计算公式9.8×1016cm-3，这个值非常接近于设置在计算1×1017cm-3值，这说明我们提出的想法是正确的、合理的。这也应该是一种测量p-GaN层的载流子浓度的新方法。这也是对霍尔测量的补充。它可以相互验证，并进一步提高测量精度和测量的可靠性研究。

　　此时当p-GaN层完全耗尽时,虽然光生电子空穴对都处在电场区,由于受到表面复合的影响,很多光生电子-空穴对都复合掉了而不能形成光电流,随着反向偏压的增加、电场强度的增大,光生电子-空穴对的空间分离效果会更好,这样量子效率会增加,长波和短波处的量子效率差值Δη也会受到表面复合速率的影响,可能只有在更高的反向偏压下,Δη才能达到一个稳定的值。显然,此时表面复合速率对p-GaN层载流子浓度的测量会造成影响。为了进一步确定表面复合速率对p-GaN层载流子浓度测量的影响,我们研究了不同表面复合速率下Δη与反向偏压下的关系。

　　表面复合速率分别为1×105cm/s,1×1010cm/s时，长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系。对于表面复合速率为1×105cm/s的情况下,临界点电压在-6V左右,也就是说,p-GaN层在-6V偏压下完全耗尽。当表面复合速率为1×1010cm/s时,临界点电压在-10V左右,也就是说,此时认为p-GaN层在-10V偏压下完全耗尽。这个不同的临界点电压会给测量带来误差。表面复合速率分别为1×105cm/s,1×1010cm/s时长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系在这两个临界点电压下,根据(1)式可以计算出不同的p-GaN层载流子浓度。上面我们已经计算过,在表面复合速率1×105cm/s的情况下,临界点电压在-6V左右,此时计算出p-GaN层载流子浓度为9.8×1016cm-3,非常接近设定值1.0×1017cm-3。在表面复合速率为1×1010cm/s的情况下,临界点电压在-10V左右,此时也可以根据上述公式计算出p-GaN层载流子浓度,具体为1.4×1017cm-3,这个值也很接近设定值,只是稍微偏大了一点点,但仍然在可以接受的范围。

　　通过研究欧姆接触的好坏对测量的影响。为电极与p-GaN层不同的接触势垒高度下,长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系。其中圆形点表示的是接触势垒高度为0的情况下,此时欧姆接触非常好,三角形点表示的是接触势垒高度为0.8eV时的情况,此时欧姆接触非常差,形成了势垒高度较高的肖特基接触。

　　如果p-GaN层选择的厚度太厚,结果来看,只有在很高的反向偏压下,p-GaN层才能完全耗尽,此时器件的漏电可能已经比较大了[18],这样很难准确给出刚好完全耗尽时的反向偏压值,所以最好p-GaN层的厚度选得稍微薄一点,这样在比较小的反向偏压下就能完全耗尽,测量过程中受反向漏电的干扰就会减小很多。

　　这个结果说明,即使在p-GaN层表面复合速率很高的情况下,这种方法测量得到的p-GaN层载流子浓度还是可信的。金属电极与p-GaN层接触的势垒高度分别为0,0.8eV时长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系在实际的p-GaN测量中,还经常遇到的一个问题就是p-GaN的欧姆接触非常难做,当然这也是p-GaN的霍尔测量中重要的误差来源之一。Δη与反向偏压的关系来看,无论欧姆接触好坏,临界点的电压值都为6V左右,几乎完全相同,可见这种方法受欧姆接触的影响非常小,即使在欧姆接触非常不好的情况下,用这种方法所测量得到的p-GaN载流子浓度的值还是可靠的。其原因可以解释如下:金属电极和p-GaN之间的肖特基接触的内建电场与p-n+结的内建电场相反,当器件外加反向偏压时,p-n+结处于反偏,而金属电极与p-GaN层之间形成的肖特基结处于正偏状态,随着反向偏压的增加,由于肖特基结处于正偏状态,绝大部分偏压都加在p-n+结上,当p-GaN层刚好完全耗尽时的电压与肖特基结的关系不大。

　　从本文的计算结果来看,当p-GaN载流子浓度为1×1017cm-3左右时,厚度选择在0.3—0.5μm的范围内比较合适。当然,p-GaN层的厚度比较薄时,我们也研究了p-GaN层的厚度为0.2μm时的响应光谱,计算发现,在0V偏压下,361nm和250nm的入射光表现出来的量子效率就已经相差不大,随着反向偏压的增加,也没有什么变化,这主要是由于0V偏压的耗尽区宽度就接近p-GaN层厚度了,这样就很难找到临界点电压了。

　　所以,采用我们提出的方法来测量p-GaN层载流子浓度时,欧姆接触的好坏对测量结果影响不是特别大。入射光波长361nm和250nm下GaN探测器对应的量子效率的差值Δη与外加反向偏压的关系(其中p-GaN层的厚度分别为0.3,0.5,0.7μm)在实际的测试中,适当选取p-GaN层的厚度也是非常重要的,因为不同的厚度直接会影响临界点电压,从而影响了测量精度。本文也研究了p-GaN层刚好完全耗尽时的临界反向偏压与厚度的关系。入射光波长361nm和250nm对应的量子效率的差值Δη与外加反向偏压的关系,其中p-GaN层的厚度分别为0.3,0.5,0.7μm。在p-GaN层厚度为0.3μm时,反向电压的临界点大约在-6V,在p-GaN层厚度为0.5μm时,反向电压的临界点大约在-22V,在p-GaN层厚度为0.7μm时,反向电压的临界点大约在-46V。还给出了临界点电压与p-GaN层厚度的关系,随着p-GaN层厚度的增加,临界点电压迅速增加。在p-GaN层厚度较薄时,随着反向偏压的增加,耗尽区宽度也增加,电场区很快就能扩展到p-GaN层表面处,所以在较小的偏压下,p-GaN层就能完全耗尽,Δη很快就能达到一个稳定的值,当厚度比较大时,由于耗尽区宽度只是与载流子浓度相关,随着反向偏压的增加,耗尽区离p-GaN层的表面区域还有一段距离,这样只有在较高的反向偏压下,耗尽区才能完全扩展到整个p-GaN层,这样p-GaN层的刚好完全耗尽时的反向偏压值比较大。8p-GaN刚好完全耗尽时的临界点电压与p-GaN层厚度的关系在实际的测量响应光谱实验中,器件会受到反向漏电的影响,反向漏电越大,噪声也越大,会干扰到实验结果。

　　上述结果都是在假设p-GaN层载流子的浓度为1×1017cm-3下进行计算的,但是实际的材料生长时p-GaN层浓度并不一定就在这个值附近,从上述原理也可以知道,要看到响应光谱中长波和短波的差别,就必须在0V偏压下耗尽区离p-GaN层的表面区域还得有一定的距离,这样随着反向偏压的增加,电场区逐步向表面扩展,最后完全耗尽。可以想象:在p-GaN层载流子浓度比较高的时候,耗尽区宽度比较小,这样在p-GaN较薄的情况下,在0V偏压下耗尽区就能离表面有一定的距离,反之,当p-GaN层载流子浓度比较低的时候,耗尽区宽度比较大,这样只有在p-GaN较厚的情况下,在0V偏压下耗尽区才能离表面有一定的距离。

　　另外,我们还要考虑尽量在反向偏压比较小的条件下p-GaN层就能完全耗尽,这样受漏电的影响会比较小,所以p-GaN层的厚度又不能太厚。9p-GaN层载流子浓度分别为1×1016,5×1016,1×1017,5×1017cm-3时长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系(其中对应的p-GaN层厚度分别为0.8,0.5,0.3,0.15μm)一般来说,p-GaN层的载流子浓度在1×1016—5×1017cm-3范围,载流子浓度范围内不同厚度下p-n+结构探测器的临界点电压。所示为p-GaN层载流子浓度分别为1×1016,5×1016,1×1017,5×1017cm-3时长波和短波量子效率差值Δη与反向偏压的关系,其中对应的p-GaN层厚度分别为0.8,0.5,0.3,0.15μm。可以看出,在这种厚度的条件下,都能看到Δη随着反向偏下的变化,也就是随着反向偏压的增加,Δη先减小,然后逐步达到一个稳定的值。

　　p-GaN层载流子浓度分别为1×1016,5×1016,1×1017,5×1017cm-3时对应的刚好完全耗尽时的反向偏压分别为-5V,-10V,-6V,-9V,通过计算得到的p-GaN层的载流子浓度分别为1.2×1016,5。1×1016,9。8×1016,5。2×1017cm-3,都与设定值非常接近,说明这个条件下测量所得到的值准确可靠。

　　理想的情况是250nm波长的量子效率和反向偏置确定反向电压可以完全耗尽的p-GaN层，载流子浓度事实上直接使用之间的关系，仿真结果也证实了这一点，特别是同一电压临界点。但我们认为实际情况可能更为复杂。如果氮化镓材料缺陷密度是比较高的，光生载流子的空间分离效率可能会强烈地依赖于电场强度。

　　然后在p-GaN层完全枯竭，加偏置电压，器件的量子效率可能会继续增加到一定的程度。在这种情况下，如果250nm处的量子效率和反向偏压的关系是用来确定在用尽全力的反向电压时，会有一个比较大的错误。如果我们用长波和短波361nm 250nm，量子效率的差异是不同的，因为361nm光子，它也会遇到同样的问题，但当他们降低，误差将大大降低。

　　因此，长波361nm量子效率和短波在20-250差异来确定临界点的反向偏置，并且误差会更小。较优化的p-GaN层厚度与浓度的关系计算结果可以看出,在上述条件下,p-n+结构探测器都能观察到量子效率差值Δη随反向偏压的变化,也能明显看出p-GaN层完全耗尽时的偏压,而且临界电压值都在-10V以内,应该说上述几个浓度下对应的厚度还是比较优化的:既能看到Δη变化,又能在较低的反向偏压下实现p-GaN层的完全耗尽。

　　我们还注意到,不同p-GaN层浓度下对应的较优的p-GaN层厚度也不同。给出了较优化的p-GaN层厚度与浓度的关系,随着载流子浓度的增加,p-GaN层的优化厚度值迅速减小,对于p-GaN层载流子浓度1×1016—5×1017cm-3范围时,选择的p-GaN优化厚度大约在0.8—0.15μm范围,载流子浓度越高,对应的p-GaN层优化厚度越小。在实际测量过程中，尝试结合p-GaN层厚度和厚度的考虑，选择一个合适的厚度，使设备得到更精确的结果。在波长选择，目前GaN材料外延生长，由于不同的生长条件下，不同的底物，底物浓度会导致不同的偏移GaN带边波长，选择模拟361nm，在长波长的特定波长的实际的选择，只要你能在附近的带边峰，短波可以短暂的好一点，250nm也应满足的基本要求。

　　模拟计算结果验证了这个思想,并对表面复合速率、欧姆接触情况、p-GaN层厚度对实际测量结果的影响进行了研究。我们还计算了p-GaN层不同浓度时最佳厚度的选择,结果表明,p-GaN层的优化厚度值随着p-GaN层的浓度增加而减小,当p-GaN层的载流子浓度在1×1016—5×1017cm-3时,对应的p-GaN优化厚度大约在0.8—0.15μm范围。*一种测量p-GaN载流子浓度的方法,提出了一种测量p-GaN载流子浓度的方法,其主要思想是利用p-n+结构GaN探测器长波和短波量子效率的差值随反向偏压的变化关系,找到p-GaN层刚好完全耗尽时的偏压,从而求出p-GaN层载流子浓度。

　　模拟计算表明,该方法能够准确测量出p-GaN层的载流子浓度,而且受表面复合、欧姆接触影响很小。进一步研究了实际测量中如何选择p-GaN层厚度,计算结果表明,p-GaN层的优化厚度值随着p-GaN层的浓度增加而减小。在恒定电场的作用下，载流子的平均漂移速度只能取一定的数值，这意味着半导体中的载流子并不是不受任何阻力，不断被加速的。事实上，在半导体材料中，由某种原因产生的载流子处于无规则的热运动，当外加电压时，导体内部的载流子受到电场力作用，做定向运动形成电流，即漂移电流，定向运动的速度成为漂移速度，方向由载流子类型决定。在电场载流子的平均漂移速度v与电场强度E成正比为：式中μ为载流子的漂移迁移率，简称迁移率，表示单位电场下载流子的平均漂移速度，单位是m2／Vs或cm2／Vs。本文提出了一种利用p-n+结构GaN探测器的响应光谱测量p-GaN层载流子浓度的方法,该方法主要是考虑到器件的量子效率在长波和短波的差值随着反向偏压的变化,然后找到使p-GaN刚好完全耗尽时的偏压,就能得到p-GaN层载流子浓度的大小。

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