（凝聚态物理专业论文）ngan肖特基紫外光探测器的电子辐照效应.pdf

1 1 g a n 肖特基紫外探测器的电子辐照效应 凝聚态物理专业 研究生刘畅指导教师龚敏教授 氮化镓( g a n ) 半导体材料是第三代宽禁带化合物半导体材料的重要代表 之一。它及其相关合金系舢i n - g a - n 所具有的宽带隙范围，优良的光、电学特 性使其在蓝、绿光到紫外光波段的发光器件、紫外探测器、蓝色激光器、外空 间和海底通讯电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域有着广泛的应用 前景。基于g a n 的强抗辐照能力，国内外许多研究机构加大力度研究其辐照效 应。他们着眼于研究g a n 材料在辐照后的缺陷变化，而对g a n 器件辐照损伤 的报道较少，尤其是关于g a n 光敏器件的电子辐照损伤的研究几乎没有。 本文首先观察到商用g a n 肖特基紫外探测器( o p t o w a y i n c ， o u v c l - g n a 2 ) 在小注量的电子辐照后出现辐照失效的现象。利用s e m ，x p s 和a f m 对该探测器进行成分分析，并制作了与此g a n 肖特基紫外探测器结构 类似的g a n 肖特基二极管用于研究它的失效机理。 通过i - v 测试技术，观察到在1 m e v 的小注量电子辐照后，g a n 肖特基二 极管的电流一电压特性退化，击穿电压明显减小，反向漏电流逐渐增大。证实 了g a n 肖特基势垒光敏器件的辐照失效与界面态有关，而不是由g a n 体材料 中的缺陷导致的。由于p n 结探测器不存在界面态，因此，可使用p n 结结构代 替肖特基势垒来解决辐照失效现象。 用不同波长( 3 8 0 r i m 和2 5 4 n m ) 的紫外光和可见光照射g a n 肖特基二极 管，用以研究二极管对不同波长光的光敏特性的变化。辐照前，只有2 5 4 n m 紫 外光照射二极管引起反向复合电流的变化。不同程度的注量辐照后，紫外光 3 8 0 r i m 和可见光照射下二极管的i v 特性出现变化。说明辐照效应将导致肖特 基势垒光敏器件对较长波长的吸收，使得u v 探测器中可见光成分的背景噪声 增加。这种辐照效应导致的g a n 肖特基势垒二极管光敏性能下降的失效机理也 应存在于p n 结型的光敏器件中。 关键词：g a n 肖特基紫外探测器电子辐照肖特基二极管辐照失效金属 半导体界面 i i e 位c t so fe l e c t r o ni r r a d i a t i o no nr l g a nu v d e t e c t o r c o n d e n s e d - s t a t e p h y s i c s s t u d e n t ：l i uc h a n g a d v i s o r ：g o n gm i n g a l l i u mn i t f i d e ( g a n ) i so n eo ft h e p r o m i s i n gw i d eb a n d g a pc o m p o u n d s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s i i i n i t r i d ec o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rc o v e r st h eu l t r a v i o l e t t ov i s i b l es p e c t r a lr e g i o n a m o n g s t t h e s e ，i ts h o w su n i q u ea p p l i c a t i o n si ng r e e n ，b l u e o ru l t r a v i o l e tl i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d ) 1 a s e r sa n dd e t e c t o r s l o wt h e r m a lc a r r i e r g e n e r a t i o nr a t e sa n dl a r g e c r i t i c a lb r e a k d o w nf i e l dm a k et h e ma t t r a c t i v ef o rt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c d e v i c e s c a p a b l eo fr e l i a b l eo p e r a t i o n u n d e re x t r e m e c o n d i t i o n s ，s u c ha sh i g hp o w e r , h i g ht e m p e m t a r ea n di nn u c l e a re n v i r o n m e n to f t h e o u t e rs p a c e r e c e n t l ns e v e r a lg r o u p sh a v ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to f l i g he n e r g y i i t a d m f i o no nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fg a n h o w e v e r ，t h e r ea r er e l a t i v e l yf e w r e p o r t so nt h ee f f e c t so fh i g h - e n e r g yi r r a d i a t i o no nt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f g a n b a s e dd e v i c e 1 1 1 ee l e c t r o ni r r a d i a t i o nd a m a g eo f g a ns c h o t 【k vu v d e t e c t o r ( o p t o w a y 1 n c ， o u v c l g n a 2 ) h a sb e e no b s e r v e d t h es t r u c t u r eo f t h ed e t e c t o rh a sb e e na n a l y z e d u s i n gs e m ，s a n d a f m a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r e ，g a ns c h o t t k y d i o d e sh a v eb e e nm a d et os t u d yt h er e a s o no f e l e c t r o ni r r a d i a t i o n - i n d u c e dd a m a g e t h ee f f e c t so ni - vc h a r a c t e r i s t i c so b s e r v e di nt h es c h o t t k yd i o d e si n d i c a t e dt h a t e v e nal i g h t d o s ei r r a d i a t i o nw o u l d o b v i o u s l yr e d u c et h er e v e r s eb r e a k d o w nv o l t a g e b u ts l i g h t l y e n l a r g et h er e v e r s el e a k a g ec u r r e n t 1 1 1 er e a s o nt h a tt h ei r r a d i a t i o n i n d u c e df a i l u r eo fg a nd e v i c e sw a sd u et ot h ed a m a g eo fa u g a ns c h o t t k y i n t e r f a c e t h i sm e c h a n i s mo f t h ef a i l u r em a yn o te x i s ti np n j u n c t i o n t y p ed e t e c t o r s t h ee f f e c t so fi 1 t a d i a t i o no nt h eu va n dv i s i b l el i g h t ss e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f i i i g a ns c h o t c c k yb a r r i e rd e v i c e sa l s oh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gc u r r e n t - v o l t a g e ( i - v ) m e a s u r e m e n t a f t e ri r r a d i a t i o n ，t h el i g h to f u v ( 3 8 0 n m ) a n d e v e nv i s i b l el i b h t , c o u l db ed e t e c t e d t h e e n e r g i e s & t h e s ep h o t o n s a r es m a l l e rt h a nt h eb a n d g a p r 3 4 e v ) o fg a na n dt h el i g h t ss h o u l dn o tb ed e t e c t e db e f o r ei r r a d i a t i o n t h ee f f e c t so f e l e c t r o ni r r a d i a t i o n1 e dt ot h e i n c r e a s i n g o fv i s i b l el i g h t b a c k g r o u n dy a w pi n s c h o a c k y b a r r i e ru vd c t e c t o l 眦sf a i l u r e m e c h a n i s m d u et ot h ei n d u c e d s h a l l o w - l e v e l s ，m a yb ea l s oo b s e r v e di np ni u n c t i o np h o t o s e n s i t i v ed e v i c e s k e y w o r d s ：g a ns c h o t t k yb a r r i e ru v d e t e c t o r ；e l e c t r o ni r r a d i a t i o n ；s e h o t t i ( y b a r r i e rd i o d e ；i r r a d i a t i o n d a m a g e ；s e m i c o n d u c t o r - m e n t a li n t e r f a c e s 第一章6 a n 材料与器件研究概况 1 1 引言 近年来，以氮为基础的卜一v 族化合物半导体材料由于在光电器件方面的 巨大应用潜力而被广泛研究 1 。1 。作为第三代半导体材料的氮化镓( g o n ) 是一 种宽带隙( e g = 3 4 e v ) 的直接跃迁半导体，具有高的热导率、高的热稳定性、高 的击穿电压、电子饱和漂移速度大和介电常数小等特点。它避免了第一代半导 体s i 材料间接带隙的不足，从而利于研制发光或光探测器件。同时它还避免 了第二代半导体g o a s 材料带隙比较窄的弱点，这决定了它具有优良的化学稳 定性和热稳定性f 4j 。相对于其它第三代半导体材料( s i c 、z n s e ) ，它也具有发 光效率高等优势。 s i c 材料抗辐射、耐化学腐蚀、高温稳定性号，具有高的雪崩电场、优良 的热传导等优点，从而使s i c 成为制作高温高功率电子器件极为理想的材料。 但是s i c 材料是间接带隙，因此用它制作的蓝光发光二极管效率极低。c r e e 公 司用s i c 制作的蓝色发光二极管当输入电流为2 5 m a ( 3 v ) 时，输出功率为1 8 1 3 w ，外量子效率为o 0 2 0 0 3 。这两项指标都只有g a n 基蓝光二极管的1 。 因而在g a i n 基发光二极管成功研制以后，s i c 基蓝色发光二极管逐渐退出市场。 相对于z n s e 基器件而言，g a n 基器件可以工作在可见光到紫外光范围， 而z n s e 基器件只能工作在可见光区。其次，g a n 基材料及它的衬底( 诸如： 蓝宝石、s i c 、s i 等) 的热稳定性远高于z n s e 基材料以及它的衬底( g a a s ) ， 这就使得g a n 基器件性质不易退化，使用寿命长。另外，g a n 和a 1 n 的晶格 失配( 2 5 ) 比z n s e 和z n s ( 4 4 ) 小，这使异质结构的设计更具有灵活性。 “优值”通常被用来衡量某种材料是否适合制作某类器件。例如：用k e y e 优值表明材料适合制作集成电路的程度；用j o h n s o n 优值表明材料适合制造高 效率器件的程度；b a l i g a 优值则是适合制作功率开关器件的指标。优值越大， 表明材料适合制作相应器件的能力越好。表1 总结了一些半导体材料的优值【5 1 从表l 可以看出，g a n 是种有很大应用前景的材料，各项优值均大于s i ， g a a s ，s i c ，仅次于金刚石薄膜。但金刚石薄膜因为难于掺杂而在研究和运用 中没有获得突破性的进展。 表1 半导体材料的优值 s i l i c o ng a a sb s i c g a nd i a m o n d k e y s s 1 3 8 06 3 09 0 3 0 儿8 04 4 4 0 0 ( w c m 一1 s 1 ) j o h n s o n s 9 06 252 5 3 31 5 6 7 07 3 8 5 6 ( 1 0 ”w q s3 ) b a l i g a s 11 5 74 42 4 6l o l ( 相对s i 而言) 正是由于g a n 具有如此大的发展空间和应用领域，因而很多公司，学校 研究所对其进行了研究，这也是本课题中把它作为研究方向的一个重要原因。 1 2g a n 半导体材料 1 2 1 g a n 材料的基本性质 g a n 是由j o h n s o n 等人州于1 9 2 8 年合成的- - 种i i v 族化合物半导体材料， 由于当时单晶g a n 晶体薄膜的生长以及掺杂技术存在困难，直到进入9 0 年代 以来，缓冲层技术的采用和p 型掺杂技术的突破，g a n 的研究热潮才开始在全 世界蓬勃发展起来，并且取得了辉煌的成绩。 氮化镓( g a n ) 是一种宽带隙( e g = 3 4 e v ) 的直接跃迁半导体，具有高的热 导率、高的热稳定性、高的击穿电压、电子饱和漂移速度大和介电常数小等特 点。按晶体结构可分为2 h 的纤锌矿型g a n ( h g a h ) 和3 c 的闪锌矿型g a n ( c g a y ) 两种。以蓝光辐射为中心形成研究热点的是纤锌矿结构的氮化镓、氮化铝、氮 化铟，而且主要是它们的固溶体。这些材料的禁带是直接跃迁型，因而有很高 的量子效率。与h - g a n 相比，c g a n 晶体结构的对称性高，具有易于解理、带 隙小，迁移率高等特点。 非掺杂o a n 均为n 型，本底电子浓度在1 0 1 4 4 1 0 1 6 c m - 3 左右，呈现高电 导；p - g a n 一般属补偿材料，目前可控掺杂浓度在1 0 ”1 0 2 0 c m 3 之间，并能对 材料退火来实现p 型导电。氮化合物中载流子的迁移率在低温时主要受到电杂 纤锌矿g a n 一n 。g 。f 。1 1 闪锌矿g a n 一n 。一g 。( 1 l i ) 质的制约，高温时则主要受到光声学波子的制约。n g a n 在室温和7 7 k 下的电 子迁移率分别为1 5 0 0 c m 2 v s 和6 0 0 c m 2 v s ，载流子浓度则分别达到8 x1 0 1 5 c m l 3 和4 x1 0 1 6 c m 。 将g a n 与a 1 n 和i n n 及其固溶体制成合金，可以形成禁带宽度由1 9 e v ( i n n ) 到3 4 e v ( g a n ) 到6 2 e v ( a 1 n ) 连续可变的三元( i n g a n 、a 1 g a n ) 或者四元 ( a 1 g a i n n ) 固溶体，其发光波长覆盖范围可以从红光到紫光( 6 5 0 2 0 0 n m ) 【7 】， 能用于制作发光二级管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。 1 1 2g a n 材料的生长技术 目前生长g a n 材料的技术有：金属有机化学汽相沉积( m o c v d ) 技术，分子 束外延( m b e ) 技术，卤化物汽相外延( h v p e ) 技术，两步生长工艺，选区外延生 长( s e l e c t i v ea r e ae p i t a x i a lg r o w t h ) 或侧向外延生长( l a t e r a le p i t a x i a l g r o w t h ) 技术，以及悬空外延技术( p e n d e o e p it a x y ) 。由于g a n 在高温生长时 氮的离解压很高，目前很难得到大尺寸的g a n 体单晶材料，所以只能在其它衬 底上进行异质外延生长。在各种生长技术中卤化物汽相外延( h v p e ) 、金属有机 化学汽相沉积( m o c v d ) 和分子束外延技术( m b e ) 已经成为制备g a n 及其相关三 元、四元合金薄膜的主流生长技术。目前被用于研究或生产g a n 材料的衬底有： 蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 8 1 、s i c 【9 1 ”、s i 1 2 14 1 、g a a s 【1 5 - 1 7 1 、m g o 1 ”、z n o 1 9 l 、g a p 等。其 中，由于蓝宝石具有透明性，热稳定性好，制各工艺成熟，价格低廉，便于清 洗和处理而成为当前使用最为广泛的生长g a n 材料的衬底。 1 2 金属- - 6 a n 接触 g a n 的肖特基势垒与金属功函数有关，这表明g a n 表面费米能级并未被 钉扎。用t e a u 与n 型o a n 接触，测得比接触电阻为7 | 8 x1 0 _ 4 q c m 2 。采用 a u ( 或a u - n i ) 和a l 作为二极管的p 型和n 型接触，得到器件的正向电流为 2 0 m a 时的工作电压为3 6 v ，表明比接触电阻值处于合理的范围。对r l 型 ( 1 0 ”c m - 3 ) o a n ，欧姆接触用n _ a 1 金属化处理形成，在9 0 0 3 0 秒快速热退火 后得到比接触电阻为8 1 0 1 q c m 2 。这种低比接触电阻可能是通过n 向外扩 散形成的固相t i n 。层。由于n 空位优势，表面g a n 是强n 型，电子可以很容 易隧道穿透它。 1 3g a n 器件及应用 g a n 是一种宽禁带，直接带隙半导体，它是继g a a s 、i n p 等第二代半导体 材料之后而出现的所谓第三代新型半导体材料。众所周知，宽禁带半导体材料 具有以下主要特征：首先，其热导率一般高于传统的半导体( 如s i ，g a a s ) ， 故可将之用于大功率器件和激光器、要求暗电流低的光探测器、电荷耦合器件， 以及高速存储器；其次，这类材料介电强度高，极适于开发相应的大功率的二 级管、开关器件和放大器件；此外，它们的相对介电常数较低，可制作诸如对 毫米波放大器有重要影响的串连电容；也可作为超高速和毫米波放大器件的材 料。目前，利用g a n 材料的宽带隙直接跃迁特性，已经研究和制各了许多光电 子器件，如：紫外( u v ) 光探测器，蓝光、绿光发光二级管( l e d ) ，蓝紫、紫外 光激光器( l d ) ，以及微电子器件，如：f e t ，h b t 和其他高频大功率电子器件 等。 ( 1 )g a n 基紫外探测器 由于g a n 是宽禁带半导体，其禁带宽度为3 4 e v ，从而成为了制造可见光 盲探测器的重要材料。它摒除了以s i 为材料制作的紫外探测器的许多缺陷， 如：s i 材料紫外探测器中必须要使用一个较复杂的滤光系统来除去可见光的干 扰，而g a n 紫外探测器对可见光没有吸收，不需要加滤光系统。又比如，在航 空航天中使用的紫外探测器需要具有很强的抗辐射能力，而s i 材料的抗辐射 能力不够，在太空中的应用会受到很大的影响，但是g a n 材料具有很强的抗辐 射能力，可以应用于宇宙探索。在现代化军事战争和航天航空中，可以利用g a n 紫外探测器探测火箭、导弹，喷气式飞机飞行过程中的方位，飞行方向和速度。 也可用于民用和工业方面，对燃烧过程和高温辐射进行安全监测或者火焰的丌 关和自动控制，同样也可用于树林火灾的报警。由于g a n 是直接带隙结构而使 得g a n 基器件具有高量子效率，低表面重组率，以及在苛刻的物理和化学环境 中的高稳定性。这些性能使得基于三族氮化物的紫外以及可见光光电探测器的 研制和应用具有很好的发展前景。总的说来，它们可被用于激光探测器、火焰 传感、污染监测、臭氧监测、水银灯消毒监控、太空飞船的监视和识别、空间 通讯、定位焊接以及引擎和燃烧室的监控等。 ( 2 ) 发光二极管( l e d ) 第一支g a n 基发光二级管( l e d ) 是在1 9 7 1 年有j i p a n k o v e 等人研制而 成的 2 0 】，但由于当时p 型g a n 掺杂的困难，采用的都是m i s 结构，利用绝缘层 g a n 大电场下的雪崩效应产生的大量电子一空穴对复合发光，而不是通常的p n 结结构。其中的绝缘层g a n 是通过金属杂质的重掺杂来实现的，通过掺入不同 的杂质，可以获得整个可见光范围的光发射。但由于这些发光器件存在发光强 度弱、外量子效率低、寿命短和驱动电压大等不足之处，在实用他方面遇到了 困难。 1 9 9 1 年，a k a s a k i 用低能电子辐照g a n 后，实现了p 型掺杂 2 1 1 。在成功解 决i i i 族氮化物的材料生长和p 型化问题之后，i i i 族氮化物发光二级管研究得到 了迅速发展。a m a n o 等人首先获得了第一支g a n 的p n 结同质结构的蓝光发光二 级管。这以后，日亚( n i c h i a ) 化学工业公司的n a k a m u r a 等人采用中温退火 的方法激活杂质后，成功的制成掺m g 的同质结g a n 蓝光发光二级管。在1 9 9 3 年n i c h i a 公司首先研制成功发光亮度超过l c d 的高亮度i n g a n a i g a n 双异质 结蓝光二极管，使用了z n 掺杂的i n g a n 作有源层，以z n 杂质为发光中心，并 实现了产品的商品化 2 2 1 。1 9 9 5 年n i c h i a 公司推出了光功率为2 0 m w ，亮度为 6 c d 的商品化g a n 绿光二极管，并首次实现了g a n i n g a n 的量子阱发光。改变 i n g a n 的i n 组分，发光颜色由黄、绿、蓝到紫色可变p “j 。在1 9 9 8 年，n i c h i a 公司成功研制了高性能的紫# f 黄光二极管【2 “。除n i c h i a 公司以外，h p 、c r e e 等公司也相继推出了各自的高亮度蓝光l e d s 产品。日本n i c h i a 公司主要是在 蓝宝石为衬底生长g a n 的发光二极管和激光器，著且处于领先地位，这也使得 蓝宝石为衬底的g a n 领先于其他衬底上长出来的g a n 。美国c r e e 公司主要研制 以s i c 为衬底生长的g a n 晶体管，并在这个方面耿得了领先的地位。但由于s i c 的价格非常昂贵，影响了其市场的应用前景。 ( 3 ) g a n 基激光器 在2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，半导体激光器主要是以g a a s 基材料为主。 到2 0 世纪8 0 年代以后，尤其是9 0 年代以来，半导体激光器主要以i n p 基和 g a n 基半导体激光材料为主，并且g a n 基材料已经成为研制紫光、蓝光和绿光 激光器的关键材料。1 9 9 5 年底，日本日亚( n i c h i a ) 化学公司的n a k a m u r a 首 先实现了室温条件下i n g a n 多量子阱激光器的脉冲工作。在1 9 9 6 年底，采用 脊波导结构实现了i n g a n 多量子阱激光器在4 1 7 r i m 下的室温条件下的连续激 发。1 9 9 7 年，采用横向外延生长( e l o g ) 技术降低了g a n 材料中的位错密度， 使i n g a n 多量子阱激光器的室温连续工作寿命超过1 0 0 0 0 小时。后来他们采用 e l o g 衬底和在n 型a 1 g a n 侧采用应变层超晶格结构，大大提高了器件的输出功 率和寿命，到1 9 9 9 年，制成的i n g a n 多量子阱激光器实现了商品化。 此外，h p 公司以蓝宝石为衬底，也已研制成功脊波导折射率导引的 i n g a n a i g a n 多量子阱蓝光l d s ，f u j i t s u 公司和c r e e 公司则采用s i c 作为衬 底材料，开发i i i 族氮化物蓝光。 蓝、绿光l d 在增大信息的光存储密度，深海通信，材料加工，激光打印， 大气污染监控方面有着广泛的应用。 ( 4 ) 场效应晶体管( f e t ) 当栅长缩短到亚微米级时可以形成所谓的短沟道器件，短沟中的电场非常 大，沟道电子以饱和漂移速度从源极漂移到栅极。g a n 的电子饱和漂移速度很 大( 2 、7 1 07 c m s ) ，因此可以用来制作场效应晶体管，例如：5 f 【e s f e t 、j e f l 和h e f t 。1 9 9 3 年报道了研制出第一个长沟道m e s f e t 2 6 1 ，其击穿电压是1 2 0 v ， 跨导为2 3 m s m m 。1 9 9 6 年z o p l e r 报道了j e f t ，沟道层n g a n 采用s i + 注入形成， 控制层p - g a n 由g a 2 + 注入形成。1 9 9 1 年m a k h a n 等人观察到a 1 g a n g a n 界面 二维电子气，室温下电子迁移率为6 2 0 c m 2 v s 。1 9 9 5 年报道的二维电子气中的 电子迁移率在室温下达到1 5 0 0 c m 2 v s 。a 1 g a n g a n 界面二维电子气的发现及其 迁移率的提高为制作t t e f t 铺平了道路。1 9 9 3 年，m a k h a n 报道了第一个h e f t 。 1 9 9 5 年k h a n 小组研制出了工作温度达到3 0 0 的a 1 g a n g a n 的h e f t 。 ( 5 ) 异质结双极性晶体管( h b t ) p a n k o v e 等人在1 9 9 4 年报道了第一个6 a n 6 h s i ch b t 口“，由于6 h s i c 在 室温下的禁带宽度为2 9 e v ，g a n 的禁带宽度为3 4 e v ，因而g a n 6 h - s i c 异质 结的导带偏移较大，实验值达到0 3 8 e v ，从而可以提高注入比，对提高异质结 双极性晶体管h b t 的性能十分有利。之后，有研究组发现g a n 和a 1n 的晶格非 常匹配，估计g “一a l n 之间有较大的价带偏移e c 大于l e v 。这样，当用a 1 g a n 做发射极，6 a n 做基极，可形成从a i g a n 到g a n 的热电子注入。对于一般的微 波器件，基区非常短，注入的电子如果形成弹道电子发射( 即在输运过程中不 损失能量) ，则电子将高速渡越基区。这样的h b t 将有很大的最大输出电流增 益截至频率f t 。 ( 6 )高温、高频、大功率半导体器件 高温器件一般是指工作的环境温度大于3 0 0 的器件，因为它们不需要额外 的制冷系统而有利于减轻或者小型化设备。在大功率器件领域，固态电子器件 主要占据l o o h z 到i o o g h z 的频段。对于高频段的大功率器件，主要应用与军 用或者民用微波传输。而低频段的大功率器件主要用于功率传输系统和马达控 制。由于g a n 基材料其本身具有电击穿强度高；漏电流小；电子漂移饱和速度 高；化学稳定性以及抗辐射强度高的一些优势，有利于器件在高温和高频大功 率下工作。g a n 基的电子器件的应用领域也极为广泛，有望在航天航空，高温 辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重要的作用。 1 4 目前国内外对6 a n 器件和材料的辐照效应研究情况 众所周知，在日常生活环境以及宇宙中存在着许多的辐射( 如：y 辐照， 电子辐射，中予辐射，质子辐射等) ，这些辐射会对半导体器件的电学、光学 特性产生影响。在众多半导体材料中，g a n 作为第三代半导体材料，比s i c 、 g a a s 和s i 等其他的半导体材料具有更强的抗辐照特性。因此，对g a n 器件与 材料在辐射条件下特性变化的研究成为目前被关注的焦点。 2 8 - 3 3 许多研究组通过深能级瞬态谱( d l t s ) 探测到：辐照前，g a n 体材料中存 在3 个深能级缺陷b 】( e - 2 6 5 7 m e v ，o = 2 5 l o “c m 2 ) 、1 3 2 ( e 。= 3 5 5 3 0 m e v ， o = 6 5 x1 0 1 6 c m 2 ) 和b 3 ( e r = 5 8 1 9 m e v ，o = 1 4 x1 0 - 1 5 c m 2 ) 口4 1 。高能电子辐照和 y 辐照对这三个缺陷没有明显的影响口5 】 3 6 1 ，但是辐照后会引入新的缺陷能级。 1 9 9 9 年z q f a n g 等人发现i m e v 电子辐照在g a n 材料中诱生深能级( e c 一0 1 8 e v ， o = 2 5x1 0 。1 5 c m 2 ) d 5 1 1 3 7 1 。2 0 0 2 年g a u m a n a - m e m b r e n o 等人用6 0 c oy 辐照 n g a n 肖特基二极管，发现y 辐照( 剂量大于5 m r a d ( s i ) ) 后引入两个新的缺 陷d ( g = 8 9 6 m e v ，o = 3 1 t o “8 c m 2 ) 、d 2 ( e r = 1 3 2 - 4 - l i m e v ，o = 2 5 1 0 “8 c 一) 。 在2 0 0 3 年，g a u m a n a - m e m b r e n o 等人又发现这两个缺陷可以细分为三个新 的缺陷g 1 ( g = 8 8 7 m e v ，o = 2 6 1 0 - 1 8 c d ) 、g 2 ( g = 1 0 4 1 2 m e v ，0 = 1 2 1 0 - 1 8 c d ) 、g 3 ( g = 1 4 4 1 3 m e v ，o = 7 6 xl o - l s c m 2 ) 1 3 6 1 。1 9 9 9 年，vve m t s e v 等 人也做了关于y 辐照在n - g a n 中的点缺陷报告 3 8 1 。2 0 0 0 年，s j c a i 等人报 道了2 d e v 的质子辐照影响m , g a l x n g a n 场效应晶体管的二维电子气传输口”。 目前，对g a n 材料的辐照效应的报道比较多，而对g a n 器件辐照损伤的报 道较少，尤其是在研究g a n 光敏器件的电子辐照损伤方面的研究几乎没有。 1 5 本论文的工作和安排 本实验研究了g a n 肖特基紫外探测器在小注量的电子辐照后出现的辐照 失效机理。本文在第二章中阐述了辐照对半导体光敏器件的影响，并在第三章 研究了商品级g a n 肖特基探测器的辐照失效现象，以及器件的结构。 在本文第四章中，针对上述现象，我们设计并制作了结构相似的g a n 二极 管用于研究g a n 肖特基紫外探测器的电子辐照特性。在研究中发现随着电子辐 照注量的增加，g a n 光敏器件的击穿电压变小，反向漏电流增大。同时借助紫 外光和可见光研究了辐照效应对g a n 光敏器件的光敏性的影响。 参考文献 【t s n a k a m u r a a n dg f a s o l ，“t h eb l u el a s e rd i o d e ”，s p r i n g e rv e r i a g ，1 9 9 7 2 】m o r i t a , d a i s u k e ，p h y s i c a ls t a t u ss o l i d i ( a ) a p p l i e dr e s e a r c h ，2 0 0 3 ，v o l 2 0 0 ，n o 1 ，p p 1 1 4 1 1 7 【3 】n i s h i d a , t o s l f i o m a t e r i a l sr e s e a r c hs o c i e t ys y m p o s i u m - p r o c e e d i n g s ，2 0 0 2 , v o l 7 4 3 ，p p 4 6 9 - 4 7 4 【4 s s t r i t a n d h m o r k o c ，j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，1 0 ( 4 ) ，1 2 3 7 ( 1 9 9 2 ) 【5 】m n y o r d e r i e e et r a n s a c t i o no n e l e c t r o nd e v i c e s ，v o l ，4 3 ，1 6 3 3 ( 1 9 9 6 ) 6 】6w c j o h n s o n ，j b p a r s o n , a n dm c c r e w , j p h y s ，c h e m ，3 6 ，2 5 6 1 ( 1 9 3 2 ) 7 1 s s t r i t ea n dh m o r k o c ，j v a c s c i t e c h n o l ，b 1 0 ，1 2 3 7 ( 1 9 9 2 ) 8 】g p o p o v i c i ，h m o r k o ca n d s n o o rm o h a m m a d ，i nr e f 8 ，p p 1 9 - 6 9 9 d k w i c k e n d e n ，k r f a u l k n e r , t lw b r a n d e r , a n db j 1 s h e r w o o dj c r y s t g r o w t h9 ， 1 5 8 ( 1 9 7 1 ) 1 0 i a k a s a k i ，h k a s h i m o t o ，s o l i ds t a t ec o m m u n 5 ，8 5 ( 1 9 6 7 ) 【11 】ts a k a k i ，a n dt m a t s u o k s ，j a p p l p h y s ，6 4 4 5 31 ( 1 9 9 8 ) 【1 2 】r d v i s p u t e ，j n a m y a n ，h w u ，a n dk j a g a n n a d h a m ，j a p p lp h y s ，7 7 4 7 2 4 ( 1 9 9 5 ) 【1 3 k ，a b r o w n , s a u s t i n ，l l a u d h o n ，a n dw h o ，j a p p l p h y s 7 9 ，7 6 6 7 ( 1 9 9 6 ) 【1 4 】s c b i n a r i ，j m r e d w i n g , a n dw k r u p p a ，e l e c t r o n ，l e t t , 3 3 ，2 4 2 ( 1 9 9 7 ) 1 5 h o k u m u r a , s m i s a w a , a n ds y o s h i d a , a p p l p h y s l e t t ，5 9 ，1 0 5 8 ( 1 9 9 1 ) 1 6 1g m a r t i n ，s s t r i t e ，j t h o r n t o n ，a n dh m o r k o ca p p l p h y s l e t t ，5 8 ，2 3 7 5 ( 1 9 9 1 ) 1 7 】s f u j i e d aa n dy m a t s u m o t o ，j p n a p p l p h y s 3 0 ，l 1 6 6 5 ( 1 9 9 1 ) 1 8 1 r c p o w e l l ，d a t o m a s c h ，e ta l ，r e s s o c s y m p p r o c 1 6 2 ，5 2 5 ( 1 9 9 0 ) 1 9 k m a t s u b a r a a n d t t a k a g i ，j p n j a p p l p h y s 2 2 ，5 1 1 ( 1 9 8 2 ) 【2 0 j j p a n k o v e ，e a m i l l e r , a n dj e b e r k e y h w i s e r , r c ar e v 3 2 ，3 8 3 ( 1 9 7 1 ) 2 1 h a m a n o ，k h i r a m a t s u , m k u t o ，e ta 1 c r y s t g r o w t h ，9 3 ，7 9 ( 1 9 8 8 ) 【2 2 s n a k a m u r a ，t m u k m ，m s e n o h ，a p p l p h y s 1 e t t6 4 ，1 6 8 7 ( 1 9 9 4 ) 2 3 】s n a k a m u r a , m s e n o h ，e ta l ，j p n j a p p l p h y s ，3 4 ，l 7 9 7 ( 1 9 9 5 ) f 2 4 】s n a k a m u r a , m s e n o h ，n 1 w a s a , e ta l ，j p n j ，a p p l p h y s ，3 4 ，l 1 3 3 2 ( 1 9 9 5 ) 【2 5 】s n a k a m u r a , i np r o c e s s d i n g s o ft h es e c o n di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nn i t r i d e 9 s e m i c o n d u c t o r t o k u s h i m a ，1 9 9 7 2 6 1 m a k h a n ，jn k u z n i a e t a l a p p l p h y s l e t t ，6 2 ，1 7 8 6 ( 1 9 9 3 ) 【2 7 j p a n k o v e ，s s c h a n g ，h c l e e ，e la l ，i n1 1 1 t e l l a l i o n a l e l e c l r o nd e v i c em e e t i n gt e c h n i c a l d i g e s t e d i e e e ，p 3 8 9 3 9 2 ，1 9 9 4 【2 8 】m o r i t a , d a i s u k e ，o v e r2 0 0m wo n3 6 5n mu l t r a v i o l e tl i g h te m i t t i n gd i o d eo fg a n - f r e e s t r u c t u r e 【j 】p h y s i c as t a t u ss o l i d i ( a ) a p p l i e dr e s e a r c h ，2 0 0 3 ，v o l ，2 0 0 ，n o 1 ，p p 1 1 4 - 1l7 【2 9 】n i s h i d a ，t o s i i o ，ag a n f r e el e ds l r u c t u r ef o rh i g hu v - l i g h te x t r a c t i o n j m a t e r i a l s r e s e a r