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光电探测器有哪几种类型
)光子型探测器光子型探测器( photon detector) 利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。光子型探测器是有选择性响应波长的探测器件。只有当入射光子能量大于光敏材料中的电子激活能E时,探测器才有响应。对于外光电效应器件，如光电管和光电倍增管，E等于电子逸出光电阴极时所要作的功,此数值一般略大于1电子伏。因此,这类探测器只能用于探测近红外辐射或可见光。利用内光电效应制成的光子型探测器，是用半导体材料制成的固态电子器件，主要包括光电导探测器和光伏型探测器等。光伏型探测器通常由半导体PN结构成，其原理是利用PN结的内建电场将光生载流子扫出结区而形成信号。当探测器受到光照(辐照)、体内发生本征光吸收时，产生两种带相反电荷的光生载流子(电子和空穴)。这两种光生载流子一开始仅局限于光照区，随后由于存在浓度梯度，其中一部分扩散到PN结区，在PN结内建电场的作用下，分别聚集到结的两端，形成电压信号。如PN结两端连成一个回路，则形成电流信号。对于光伏型探测器和本征光导型探测器,E等于半导体的禁带宽度;对于非本征光导型探测器,E等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地，因此，半导体光子型探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极(称为打拿极)。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号。
光电管 光电导探测器 光生伏特探测器 各自有什么优点
不同之处： 1.光导型探测器就是光敏电阻，光伏型探测器是光电二极管；
2.光导型探测器输出的是电压（U），光伏型探测器输出的是电流（I）；
3.光导型探测器必须加前置放大器，而光伏型探测器则不用；
4.光导型探测器使用时需要加偏置电压，而光伏型探测器则不需要；
5.光导型探测器在做气体分析时必须进行光源调制，而光伏型探测器则不需要；
6.光伏型探测器比光导型探测器线性好；
7.光伏型探测器比光导型探测器探测率高。
相同： 1、都属于光电探测器；
2、都具有光电探测器下性能参数的一致性，如等效噪声功率、响应率、探测率等 光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成...
光伏光电是什么产品厂
光伏主要是生产利用太阳能发电的产品厂。光电是主要从事生产和开发光有源器件产品厂。包括激光，探测器等。
光电转换器有哪些
将光转换为电的是各类光电探测器：
光电子发射探测器：光电倍增管
光电导探测器：光敏电阻
光伏探测器：光电池、光电二极管、光电三极管、PIN管、雪崩二极管
热电探测器：热电偶、热电堆
热释电探测器
将电转换为光的是各类激光器(固体、气体、液体、半导体激光器)、LED、OLED等等.
光电探测器
PIN 紫外光电探测器的研制
黄 瑾, 洪灵愿, 刘宝林, 张保平
( 厦门大学物理系,福建厦门361005)
摘 要: 用Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为PIN 探测器的有源层,研制出Al InGaN
PIN 紫外探测器。详细介绍了该器件的结构设计和制作工艺,并对器件进行了光电性能测试。测
试结果表明,器件的正向开启电压约为1. 5 V ,反向击穿电压大于40 V ;室温- 5 V 偏压下,暗电流
为33 pA ,350 nm 处峰值响应度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %。
关键词: Al InGaN/ GaN ; PIN 光电探测器; 紫外光电探测器
中图分类号: TN304 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 5868 (2008) 05 - 0669 - 04
Development on Al InGaN/ Ga N PIN Ultraviolet Photodetectors
HUAN GJ in , HON G Ling2yuan , L IU Bao2lin , ZHAN G Bao2ping
(Dept. of Physics , Xiamen University , Xiamen 361005 , CHN)
Abstract : Using Al InGaN instead of Al GaN as t he source film of a p hotodetector s , an
Al InGaN2based PIN UV p hotodetector was developed. It s device st ruct ure and fabrication
processing are int roduced in detail . Measurement result s show t hat it s t urn2on voltage is about
1. 5 V , and VBR 40 V ; under - 5 V bias voltage at room temperat ure , t he dark current is about
33 pA ; t he peak responsivity can reach 0. 163 A/ W at 350 nm , and t he quant um efficiency is
58 %.
Key words : Al InGaN/ GaN ; PIN p hotodetector ; ult raviolet p hotodetector
1 引言
GaN 基三元合金Al x Ga1 - x N 材料是波长范围
连续的直接带隙半导体,随材料Al 组分的变化其
带隙在3. 4～6. 2 V 连续变化,带隙变化对应波长范
围为200～365 nm ,覆盖了地球上大气臭氧层吸收
光谱区(230～280 nm) ,是制作太阳盲区紫外光探
测器的理想材料。Al GaN 基宽禁带半导体探测器
作为新一代紫外探测器[1 ] ,在军事和民用上都有重
要的应用,受到国内外的广泛重视。
目前,Al GaN/ GaN 材料和器件结构仍存在诸
多有待解决的问题: (1) 作为有源区的Al GaN 与作
为衬底的GaN 材料之间晶格失配,导致外延层位错
密度较高和紫外探测器的暗电流较大; (2) p 型掺
杂Mg 的激活能很大,其激活率很低,p 型Al GaN
材料带隙宽、功函数高,空穴浓度低,从而难于获得
良好的金属与p 型半导体接触(欧姆接触) ; (3) 结构
的优化设计,例如减少表面光反射率,优化有源层厚
度,提高器件的量子效率,从而提高其光响应度等。
针对这些困难,我们提出了以下几个改进措施:
(1 ) 用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的i 层;
(2) 在p 型Al InGaN 材料上再生长一层p 型GaN
材料,用于提高与金属接触层的半导体的空穴浓度,
有利于形成良好的欧姆接触; (3) 采用Ni/ Au 双层
作为p 电极,形成了良好的金属与半导体欧姆接触。
本文通过对Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的
研究,详细介绍了其结构设计和制作工艺,以及其器
件的测试结果。
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《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制
2 问题分析和解决方案
目前,紫外光电探测器一般采用Al GaN/ GaN
结构。随着Al GaN 中的Al 组分增加及响应波长的
减小,Al GaN 和GaN 之间的晶格失配变大,应力增
大,大大限制了Al GaN/ GaN 结构的器件性能,特别
是其暗电流和响应度。但是,Al InGaN 四元合金的
禁带宽度Eg 和晶格常数却可以独立变化,使我们
有可能调整禁带宽度到所需要的数值,同时保持较
低的位错密度,从而降低暗电流。图1 中的虚线代
表了晶格常数与GaN 一致的Al InGaN 的禁带宽度
的变化范围,如果用Al InGaN 四元合金做有源区,
就可以解决晶格失配所带来的问题。
四元合金Al x Iny GazN 晶格常数a 随组分的变
化关系可表示为[ 3 ]
aAl x In y Ga zN = xaAlN + yaInN + zaGaN (1)
式中, x + y + z = 1 。Al x Iny GazN 带隙随组分的变
化关系可表示为[ 4 ]
Q( x , y , z) = xy T12
1 - x + y
2 + yz T23
1 - y + z
2 +
xz T13
1 - x + z
2 / ( xy + yz + xz ) (2)
式中, Tij (α) =αB j + (1 - α) Bi + bijα(1 - α) , i , j =
1 ,2 ,3 分别代表AlN , InN ,GaN ,B 代表二元合金的
禁带宽度, b 代表三元合金的弯曲系数, b12 = - 5 ;
b23 = - 4. 5 ; b13 = - 1 。
图1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度与晶格常数的
关系
如果aAl x In y Ga zN = aGaN , 即Al InGaN 与GaN 晶
格匹配。把表1 的各项参数带入式(1) ,得到x ∶y
= 4. 47 ∶1 。那么,与GaN 晶格匹配的Al InGaN 的
禁带宽度范围从3. 39 eV ( GaN ) 到4. 67 eV
(Al0. 817 In0. 183N) ,相应的波长从365 nm ( GaN) 到
266 nm (Al0. 817 In0. 183 N) 。这一波段正好处于日盲
区域,是紫外光探测器的理想探测波段。
表1 纤锌矿结构的GaN 基材料的禁带宽度和晶格常数[ 2]
参数GaN AlN InN
a/ nm 0. 318 9 0. 311 2 0. 353 3
c/ nm 0. 518 6 0. 498 2 0. 569 3
Eg / eV 3. 39 6. 20 1. 90
3 实验结果及分析
3. 1 样品结构生长及材料性能
本研究使用中国科学院半导体所用MOCVD
系统生长的Al InGaN 材料。样品A 是我们研制
PIN 型紫外光电探测器的总体结构。先在Al2 O3 衬
底上生长GaN 缓冲层, 再生长3 μm 掺Si 的n2
GaN , 然后是0. 2μm 的未掺杂的i2Al InGaN ,再生
长0. 2μm 的掺Mg 的p2Al InGaN ,最后生长0. 1
μm 的掺Mg 的p2GaN 作为欧姆接触层。为了研究
中间的未掺杂的Al InGaN 层和p 型Al InGaN 层的
性质,我们又分别生长了样品B 和样品C。样品B
是先在Al2 O3 衬底上生长GaN 缓冲层, 再生长3
μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1μm 未掺杂的i2
Al InGaN。样品C 是先在Al2 O3 衬底上生长GaN
缓冲层, 再生长3μm 掺Si 的n2GaN , 最后生长0. 1
μm 掺Mg 的p2Al InGaN 。
分别对样品B ,C 做了X 光三晶衍射实验。图
2 (a) 、( b) 分别是样品B 和C 的X 光三晶衍射谱。
图2 (a) 中的34. 565°的峰是GaN (0002) 峰,34. 602°
的峰是Al InGaN (0002) 峰。图2 (b) 中的34. 565°的
峰是GaN ( 0002 ) 峰, 34. 583°的峰是Al InGaN
(0002) 峰。
由此,计算出样品B 和C 的晶格常数列于表2
中。从计算结果可以看出样品B 和样品C 中
Al InGaN 与GaN 晶格常数基本匹配。
(a) 样品B
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SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 29 No. 5 Oct. 2008
(b) 样品C
图2 样品的X光三晶衍射谱
表2 样品B和C的晶格常数
样品cGaN / nm cAl InGaN / nm
Δc
c GaN
/ %
B 0. 518 50 0. 518 00 0. 096
C 0. 518 50 0. 518 31 0. 037
为了分析Al InGaN 材料的组分,对样品进行
PL 谱测量。对比图3 (a) 、(b) 、(c) 得出,在图3 (c)
中,358. 6 nm 的发光峰为p2Al InGaN 的带边发射;
365 nm 的发光峰为GaN 的带边发射;i2Al InGaN 的
发光峰基本与GaN 的发光峰重合。计算得出p2
Al InGaN 的禁带宽度Eg = 3. 46 eV 。
(c) 样品A
图3 样品的室温(300 K) PL 谱
根据上面分析可知, 与GaN 晶格匹配的
Al x Iny GazN材料中,Al 组分与In 组分的比值为
4. 47 ∶1 ,所以我们可以确定p2Al InGaN 材料的组
分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902N。
3. 2 器件工艺
本文按常规工艺制备了如图4 所示结构的PIN
光电探测器。它包括n2GaN 底层,i2Al InGaN 光吸
收层, p2Al InGaN 过渡层, p2GaN 欧姆接触层。
SiO2 作为器件的保护层和抗反射膜,用Ti/ Al/ Ni/
Au 作n 电极,用Ni/ Au 作p 电极。
图4 Al InGaN/ GaN PIN 结构示意图
试验中对p 型欧姆接触进行了工艺优化,材料
为K0299 p 型样品。合金温度优化表明500 ℃下所
获得的接触性能最好, 比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。随后分别在K0299 ( p2GaN ) 样品和
K0294 (p2Al InGaN) 样品上制备了电极,结果p 型
Al InGaN 的I2V 特性很差,电阻率很大,难以形成
欧姆接触。相比之下,p 型GaN 的I2V 特性就好得
多, 而且形成了欧姆接触。所以我们在p 型
Al InGaN 层上面生长了一层p2GaN ,用p2GaN 来做
欧姆接触层,降低了电阻率。
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《半导体光电》2008 年10 月第29 卷第5 期黄 瑾等: Al InGaN/ GaN PIN 紫外光电探测器的研制
4 器件性能测试与分析
图5 (a) 为Al InGaN PIN 型紫外探测器在正向
偏压下的I2V 特性曲线,其正向开启电压约为1. 5
V 。图5 (b) 为器件在反向偏压下的I2V 特性曲线,
器件的反向击穿电压约为40 V ,表现出较好的硬击
穿。由上述可见器件的I2V 特性良好。
图5 器件的I2V 特性曲线
将测试的数据进行处理,得到暗电流和反向偏
压关系曲线如图6 。从图6 可以看出,暗电流随反
相偏压增大而增大。在未加偏压时,暗电流在10 - 12
A 的数量级,在- 5 V 偏压下,暗电流仍然比较小,
仅为3. 3 ×10 - 11 A。
图7 是在- 5 V 偏压下测试得到的响应光谱。
光谱响应范围在200～400 nm ,实现了紫外探测。
Al InGaN 的禁带宽Eg = 3. 46 eV ,由公式hν≥Eg ,
λν= C ,可算出λ≤358. 4 nm。器件对波长大于358
nm 的入射光响应很小,相对峰值响应接近于零;小
于200 nm 的入射光因为波长短,光吸收系数很大,
被表面复合,无法在外电路中形成光电流[ 5 ] 。但从
图7 看出,光谱响应的范围较窄,主要原因有: (1) p2
Al InGaN 层的Al 组分小,没能形成窗口层; (2) p2
Al InGaN 层太厚,在光达到i 层前,大部分的光被p2
Al InGaN 层吸收了。
样品在350 nm - 5 V 偏压下峰响应为0. 163
A/ W ,量子效率达到58 %,性能优于T. N Oder 等
人[6 ] 报道的最大响应度0. 13 A/ W @326. 8 nm 的
In0. 02Al0. 15 Ga0. 83N 紫外光电探测器。最大响应度没
有出现在“太阳盲区”250～300 nm 范围内,主要是
因为i 层的Al InGaN 材料的Al 组分太小,使得i2
Al InGaN 的禁带宽度与GaN 的禁带宽度接近。
5 结论
采用晶格常数和禁带宽度可以独立变化的
Al InGaN 四元合金代替Al GaN 作为探测器的有源
层,成功研制出PIN 紫外光电探测器。通过PL 谱
测量和X 射线衍射实验,计算出生长的p2Al InGaN
材料的组分为Al0. 080 In0. 018 Ga0. 902 N ,与GaN 材料的
晶格失配率仅为0. 037 %。
(下转第708 页)
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品温度和环境温度慢慢趋于一致,即趋于热平衡时,
电阻变化缓慢且阻值降低较小。
图6 样品B 在空气中和真空中的电阻测量结果
4 结论
采用PECVD 法制备的掺硼氢化非晶硅薄膜,
其电阻值随测试时间呈现上升趋势,经XPS 分析发
现薄膜中存在氧化现象。光照条件下,样品光电阻
上升幅度增加,长时间的光照会导致S2W 效应出
现,分析表明光照会引起材料中弱Si - Si 键的断
裂,导致悬挂键缺陷态产生。掺硼氢化非晶硅的电
阻在退火前后均呈现波动现象,是由于随机电报噪
声的存在。通过对样品在真空中和空气中电阻测
量,证实在真空中材料焦耳热作用更显著,另外空气
的对流也对材料温度变化产生影响。
参考文献:
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[10 ] 何宇亮,陈光华,张仿清. 非晶半导体物理学[M] . 北
京:高等教育出版社,1989. 172.
作者简介:
杨利霞(1985 - ) ,女,硕士研究生,研究方向为
光电传感器用硅基薄膜敏感材料。
E2mail : lee4963 @163. com
(上接第672 页)
合金温度优化表明500 ℃合金退火下所获得的
p 型欧姆接触性能最好,比接触电阻为1. 0 ×10 - 2
Ω ·cm2 。I2V 特性显示,器件正向开启电压为1. 5
V 左右,反向击穿电压为40 V ;在- 5 V 偏压下,暗
电流为3. 3 ×10 - 11 A ;样品在350 nm 下的最大响应
度为0. 163 A/ W ,量子效率为58 %,显示出了良好
的器件特性。
参考文献:
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vapor deposition [ J ] . Appl. Phys. Lett . , 1999 , 75 :
3 315.
作者简介:
黄 瑾(1983 - ) ,女,福建人,硕士研究生,主要
从事GaN 基材料和器件的研究。
E2mail : yehehuangjin0207812 @hotmail . com
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放大型光伏探测器。有哪些
放大型光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管、pin管、雪崩二极管等。
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。
光伏探测器的光电特性主要与材料、光照范围、负载大小、外加电压这些因素有关。
