宽禁带紫外光电探测器
宽带隙半导体材料与紫外光探测器
具有宽禁带的半导体材料
半导体材料
GaN ZnO
TiO2 C-BN 金刚石 AlN SiC Ga2O3（高温）
禁带类型 直接 直接 间接 间接 间接 直接 间接 直接
禁带宽度Eg/eV
3.39 3.37 金红石3.0，锐钛矿3.2 6.4 5.47
6.2 4H-SiC3.23，6H-SiC3.0
4.8~5.1
• VLS机制中，常采用激光烧蚀法、热蒸发法 以及金属有机化学气相沉积法 • 激光烧蚀法（laser ablation）是利用激光在 特定气氛下轰击靶材，将催化金属和目标材 料的原材料一同用激光蒸发，同时结合一定 气体，在衬底或反应腔壁上沉积纳米材料
气相合成
• 热蒸发法（thermal evaporation）：将一种 或几种反应物，在高温区通过加热形成蒸汽 ，然后用惰性气体运送到反应器低温区，从 而生长准一维纳米材料 固体粉 末物理 蒸发 化学气 相沉积
• 溶剂热法则是 以有机溶剂代 替水
汇报内容
紫外敏感材料——宽禁带半导体
1.半导体及其带隙 2.宽禁带材料的特点 3.具有宽禁带的半导体材料
准一维纳米材料的合成
1.合成方法总述 2.气相合成
紫外光探测器
1.发展现状 2.薄膜探测器 3.纳米探测器
气相合成 • 气相合成法的特点 优势：可生长几乎任何无机材料的准一维纳 米材料/结构，操作简单易行 不足：一般需要较高温度，难以制造有机材 料、无机-有机负荷材料及金属离子掺杂体系
（1）在系统工作要求的波长区域范围内，有高的 量子效率； （2）响应速度快； （3）具有好的线性输入-输出性质； （4）能在需要的环境下可靠的工作
ZnO基紫外探测器研究进展
,6/,0 薄膜， 制作出 #, 结型紫外探测器& 在紫外区 域， ,6/,0 : #67) 结型探测器在波长为 ;89 ,< 的光照 下的光响应度为 9& 5 = : >， 同时， 它还保持和增强了 7) 对可见光区域的光响应特性， 因此这种 ,6/,0 : #67) 结型探测器可以适用于紫外和可见光波长区域&
石上生长 /,0 薄膜， 制作出 /,0 肖特基型 A7A 紫 外光探测器& 图 . 为该肖特基探测器的暗电流、 光电 流的 !"# 曲线和器件表面结构的 7TA 图& 5F 偏压和 波长为 ;?H ,< 的光照下， 该探测器有明显的光电流 响应， 其光响应度为 8& 5 = : >， 漏电流大约为 8 ,=& 探测器有一个快的响应时间， 上升时间为 8. ,D， 下 降时间为 59 ,D&
料， 在室温时带隙为 "- "’ 9: ， 束缚激子能高达 &%
［ "］ Q9: - 738 与 >1=、 [0\ 等其他的宽带隙材料相比
有很高的化学和热稳定性、 更好的抗辐射损伤的能 力、 较低的生长温度、 适合作长寿命器件等优点， 特 别是 738 基三元合金 ]A : 734 V : 8， 随 ]A 组分的变 化， 可以使其带隙在 "- " 9: （ 738） 到 ’- Y 9: （ ]A） 连
738 是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材
4! 引言
紫外探测器被广泛的应用于天文学、 燃烧工程、 水净化处理、 火焰探测、 生物效应、 天际通信及环境 ［ 4］ - 紫外探测技术的关键是研制高 污染监测等领域 灵敏度、 低噪声的紫外探测器- 目前， 已投入商用的 紫外探测器主要有紫外真空二极管、 紫外光电倍增 管、 紫外增强器、 紫外摄像管和固体紫外探测器等， 其中常用的是光电倍增管和硅基紫外光电二极管硅基紫外光电管需要附带滤光片， 光电倍增管需要 在高电压下工作， 而且体积笨重、 效率低、 易损坏且 成本较高， 对于实际应用有一定的局限性- 因此， 人 们开始关注宽带隙半导体紫外探测器- 在过去十年 中， 为了避免使用昂贵的滤光器， 实现紫外探测器在 太阳盲区下 （ $%% —"%% 3Q ） 工作， [0\ 、 金刚石薄膜、 >1= 基和 738 基等宽带隙半导体紫外探测器， 已引 ［ $］ 起研究人员的广泛重视 -
MSM结构ZnO紫外探测器的制备及光电性能研究
第 ３期
ＭＳ 结构 Ｚ Ｏ紫外 探 测器 的制 备及 光 电性 能研究 Ｍ ｎ
《基 ＼ｌ ０ Ｊ ０ ｕＪ ０ 芑
６ ５
通过 对 以上数 据线 性拟 合分 析得 到 了 以下线性
方程 ：
退 火 后 ： ＝ 一 ．０ ７ ， ３ ７４ ６×１ 一 ６ ２ ７ １× ０ ０ ＋ ．６ ８ １ 一Ｖ
种 短 程地对 空 、 对 空 导 弹 的攻 击 。相 比其 它 探 测 空
技术 ， 紫外 探测 具 有虚 警 率 低 、 隐蔽 性 高 、 需 低 温 无 冷 却 和扫描 、 积小 、 量 轻 等 独 特 优 势 Ｊ 已成 为 体 质 ， 装 备量 最大 的 导 弹逼 近 告 警 系 统之 一 。另 外 ， 民 在 用 领域 ， 紫外 探测 器 可 广 泛 应 用 于可 燃 气 体 和 汽 车
具 有极 高 的军 事 价值 ． 。仅 就 光 电对 抗 而 言 ， ２ Ｊ 随
对红 外 和可 见 光 都 不 敏 感 。这 使 得 Ｚ Ｏ成 为 光 电 ｎ
探测 器 、 光 二 极 管 （ Ｄ） 蓝 紫 光 发 光 二 极 管 激 Ｌ 和
（ Ｅ 等 光 电子器 件 的首 选 材 料之 一 ， Ｌ Ｄ） 尤其 易 于实 现高 性能 的紫 外探 测器 ¨Ｉ 。 ｌ ］
刘 大 博
（ 北京航空材料研究 院 ， 北京 １０９ ） ０ ０ ５ 摘要 ： 采用磁 控溅 射方法 ， 在石英衬底上 制备了光 电性 能优 良的 Ｚ Ｏ紫外探测 器 。通过 紫外光 电性能测 试 、 ｎ 扫描
电子显微镜 （ Ｅ 观察 及 ｘ射线衍射 （ Ｒ 分析 ， Ｓ Ｍ） Ｘ Ｄ） 研究 了 Ｚ Ｏ紫外探测 器的光 电特性 。结 果表 明 ： ｎ 探测器 的光 电
TiO_2基紫外探测器的制备及退火工艺对光电性能的影响
图 ６ 最佳热处理 工艺下 ＴＯ ｉ
基 紫 外 探 测 器 的 ， 曲线 －
Ｆｇ ６ ｉ． ／Ｖ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｏ ｉ Ｖ ｅｅ ｔｒ － ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｆ Ｏ２Ｕ ｄ ｔｃｏ ｓｃ Ｔ ｗ ｔ ｕｔ ｂ ｅ ａ ｎ ａ ｉ ｇｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｉ ｌ ｎ ｅ ｎ ｒ ｃ ｓｅ ｈ ａ ｌ
作 是其 自身无 法 避 免 的缺 点 。因此 ， 随着 光 电对 抗
应 对 比度 要 求 。 而 且 ， 制 备 工 艺 相 对 成 熟 的 用
ＴＯ 薄膜材料制备半导体型紫外 探测 器 ， ｉ， 具有 工 艺 简 单 、 本 低 、 定 性 好 并 适 于 大 批 量 生 产 等 成 稳
优点 。 但是 基 于 Ｔ Ｏ ｉ 基 紫 外 光 电 探 测 器 的 研 究 工 作 ， 内外 报 道 非 常 之 少 ， 对 于 Ｚ Ｏ 基 等 较 为 国 相 ｎ
的 化 学 稳 定 性 和 耐 候 性 ， 气 敏 器 件 、 催 化 以 在 光 及 太 阳 能 电 池 等 光 电 领 域 的 应 用 研 究 十 分 活
相对 于其 他告警 方式 ， 紫外告警 具有 虚警 率低 、 不需 低温 冷 却 、 需 扫 描 、 积 小 、 量 轻 等 独 特 优 无 体 质 势 ｌ ， 为 了 装 备 量 最 大 的 导 弹 逼 近 告 警 系 统 ３成 ｊ
最 佳 热 处 理 工 艺 下 ＴＯ ｉ 基 紫 外 光 电探 测 器
７ ３． ４７
的 光 谱 响 应 曲 线 如 图 ７所 示 。 可 见 ， 波 长 从 在 ２ ０ ｍ 到 ３ ０ ｍ 的 紫外 波 段 ， 测 器 有 很 明显 的 ４ｎ ３ｎ 探
光 响 应 ， 光 电 流 变 化 较 为 平 坦 ； ３ ０ ｍ 到 且 在 ３ｎ
南大宽禁带半导体实验室
禁带半导体紫外探测器紫外探测技术在国防预警与跟踪、电力工业、环境监测及生命科学领域具有重要的应用，其核心器件是高性能的紫外光电探测器。
基于半导体材料的固态紫外探测器件具有体重小、功耗低、量子效率高、和便于集成等系列优势。
以碳化硅（SiC）和III族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于制备紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势。
我们实验室在宽禁带半导体紫外探测器领域具有较强的实力。
率先在国内实现4H-SiC基紫外雪崩单光子探测器；分别研制成功高增益同质外延GaN基紫外雪崩光电探测器、国际上领先的高增益AlGaN基日盲雪崩光电探测器、具有极低暗电流的AlGaN基MSM日盲深紫外探测器、高量子效率AlGaN基PIN日盲深紫外探测器、以及现有芯片面积最大的AlGaN基日盲深紫外探测器，相关结果多次获得国际主流媒体的跟踪报导。
目前，我们的工作重点是研制高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器，包括：紫外单光子探测器件结构设计和物理分析，紫外单光子探测线阵和日盲紫外探测阵列制备。
宽禁带半导体功率电子器件针对未来高效电力管理系统、电动汽车和广泛军事应用大容量化、高密度化和高频率化的要求，将宽禁带半导体材料应用于高档次功率电子器件可以有效解决当今功率电子器件发展所面临的“硅极限”（silicon limit）问题，将大幅度降低电能转换过程中的无益损耗，在各领域创造可观的节能空间。
宽禁带Ⅲ族氮化物半导体具有强击穿电场、高饱和漂移速度、高热导率和良好化学稳定性等系列材料性能优势，是制备新一代功率电子器件的理想材料。
这一研究方向近年来成为国际上继GaN基发光二极管和微波功率器件之后的新兴研究热点。
我们小组在这一研究领域具有较好的基础，已经研制成功AlGaN/GaN平面功率二极管，其击穿电压大于1100V，功率优值系数高达280MW/cm2。
宽禁带半导体及器件的应用
宽禁带半导体及器件的应用宽禁带半导体材料是指带隙较大的半导体材料，带隙一般大于1.12电子伏特。
常见的宽禁带半导体材料有钻石、碳化硅、氮化硼等。
宽禁带半导体及器件在许多领域有着广泛的应用。
下面我将介绍一些典型的应用。
首先，在光电子学领域，宽禁带半导体材料有着重要的应用。
以钻石为例，钻石可以制作出高效的光电探测器。
钻石的导电性能较好，具有较高的载流子迁移率和较低的暗电流，因此可用于制作高性能的光电探测器。
此外，钻石的能带较宽，可以实现可见光和紫外光的探测，因此在太阳能电池、激光器、光通信等领域也有广泛的应用。
其次，在功率电子领域，宽禁带半导体材料也有着重要的应用。
碳化硅和氮化硼是功率电子领域中常用的宽禁带半导体材料。
碳化硅具有高耐受电压和高工作温度的特点，可用于制作高性能的功率器件，如功率二极管、功率MOSFET、功率晶体管等。
氮化硼是一种具有较高导热性和高耐受电压的材料，可用于制作高功率功率器件，如功率MOSFET和高功率LED。
此外，在传感器领域，宽禁带半导体材料也有着广泛的应用。
以碳化硅为例，碳化硅具有较高的热导率、较高的硬度和较低的热膨胀系数，在高温环境下有较好的稳定性。
因此，碳化硅可用于制作高温传感器，如温度传感器、压力传感器、气体传感器等。
此外，碳化硅还具有较高的机械强度和较低的摩擦系数，可用于制作压力传感器、加速度传感器和陀螺仪等惯性传感器。
宽禁带半导体及器件还可以在高压电器领域发挥重要作用。
宽禁带半导体材料具有高耐受电压的特点，可用于制作高压开关、电力变压器以及高压电容器等器件。
例如，碳化硅开关可以在较高的工作温度和较高的电压下稳定工作，因此可用于制作高压开关，可应用于电力系统和交通运输领域。
此外，宽禁带半导体材料还可以在高频电子器件中发挥作用。
以氮化硼为例，氮化硼具有较高的载流子迁移率和较高的饱和漂移速度，适用于制作高频器件，如高频功率放大器、高频开关等。
此外，氮化硼具有优异的热导率和较高的物质弥散速度，使其在高功率、高频率的应用中有着广泛的应用。
宽禁带半导体光电材料研究进展
宽禁带半导体光电材料的研究及其应用宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。
主要包括金刚石、SiC、GaN等。
和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。
近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。
氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。
利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。
与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。
这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。
虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。
经过近20年的努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能;1989年,Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结;1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管,效率达到5%,赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率,寿命超过一万小时。
ZnMgO紫外探测器研究现状
ZnMgO紫外探测器研究现状1 引言ZnO是一种直接宽带隙的半导体材料（禁带宽度为3.37 eV），在室温下有很高的激子束缚能（60 meV），外延生长温度低，抗辐射能力强。
通过Mg的掺入可实现禁带宽度从3.3 eV 到7.8 eV可调的ZnMgO合金，ZnMgO作为优良的紫外光电材料在光电系统中有着广泛的应用，像LED、光探测器和太阳能电池等，特别是紫外光探测器方面的应用。
紫外探测器广泛用于矿井可燃气体和汽车尾气的监测、固体燃料成分分析、环境污染监测、细胞癌变分析、DNA 测试、准分子激光器检测等领域。
在军事上可用于导弹跟踪、火箭发射、飞行器制导以及生化武器的探测。
在现实生活中，用于火灾监测、紫外通信以及紫外线辐射的测量。
随着紫外线的广泛应用，紫外探测器在环保、医学、军事等领域将得到更广泛的应用。
作为一种宽禁带半导体材料，ZnMgO近年来受到了研究人员的广泛关注。
2 ZnMgO紫外光探测器的研究进展ZnMgO薄膜材料生长和紫外探测器的研究主要有美国、日本，印度、南韩等国家，薄膜生长方法以脉冲激光沉积（PLD），分子束外延（MBE），金属有机化学气相沉积（MOCVD），和磁控溅射等为主。
自1998年日本东京技术研究所用PLD方法在蓝宝石（0001）衬底上生长出了Mg组分达0.33的ZnMgO单晶薄膜之后，高Mg组分的ZnMgO薄膜材料生长和紫外探测器研究引起了人们的极大兴趣。
美国北卡罗那州大学，马里兰大学都相继报道了ZnMgO薄膜的生长及光学特性研究；南韩Pohang科技大学采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长了Mg组分（0-0.49）连续可调的ZnMgO薄膜，并有X-射线衍射（XRD）谱表明未发生结构分相。
这些结果已远远超过平衡态下Mg在ZnO中的固溶度值≤4％。
以上ZnMgO薄膜大都是在单晶衬底和较高的衬底温度（350－750℃）上生长，而日本Ritsumeikan大学和印度德里大学均采用磁控溅射方法，在不加热的硅和石英衬底上生长出了Mg组分0.42和0.46的ZnMgO薄膜，结果表明薄膜仍未发生结构分相。
基于三明治结构的ZnO 紫外光电探测器
Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ(６１９０５０２２)
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ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｕｐｐｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ.
光电探测器响应度在 ５ Ｖ 偏压下达到了 ０. ０５ Ａ / Ｗꎬ暗电流为 １. ４４ × １０ － ５ Ａꎬ器件的整体性相比较传统单层
ＺｎＯ 紫外光电探测器得到了明显的改善ꎮ 这主要归因于金属与半导体接触的耗尽区可以直接吸收入射光ꎬ提
高了入射光的吸收效率ꎬ避免了传统上层电极对入射光的遮蔽作用ꎮ
关 键 词: 三明治结构ꎻ ＺｎＯ 紫外光电探测器ꎻ 响应度
中图分类号: Ｏ４７２. ８ 文献标识码: Ａ ＤＯＩ: １０. ３７１８８ / ｆｇｘｂ２０２０４１０９. １１５３
ＺｎＯ ＵＶ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓａｎｄｗｉｃｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＹＡＮＧ Ｑｉａｏ￣ｃｈｕ ∗ ꎬ ＳＵＮ Ｈｅ￣ｙａｎｇꎬ ＺＨＡＮＧ Ｆｕ￣ｌｏｎｇꎬ ＷＡＮＧ Ｔｉａｎ￣ｓｈｕ
( Ｎａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｌｏｃａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ
ZnO薄膜的制备技术与应用领域
ZnO薄膜的制备技术与应用领域摘要：zno是一种新型的ⅱ-ⅵ族宽禁带（3.37ev）化合物半导体材料，具有较高的激子束缚能（室温下为60mev）和光增益系数320cm-1，是一种理想的短波长光电器件材料，在蓝紫光发光二极管（leds）和激光器（lds）等领域有巨大的应用潜力。
该文就zno 薄膜的制备方法和应用做一简要综述。
关键词：zno薄膜；应用；功能器件中图分类号：tp3 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）05-1209-03zno薄膜是具有纤锌矿结构的直接宽带隙化合物半导体材料，因其具有高的激子束缚能，较高的熔点以及化学稳定性而成为重要的光电材料。
鉴于zno原料廉价丰富，无毒且制备温度低等优点，使其在透明导电窗口材料、紫外探测器、leds和lds发光器件、太阳能电池和紫外屏蔽罩等方面都有着重要的应用。
该文就zno薄膜的制备技术及应用领域做一简要介绍。
1 zno薄膜的制备技术1.1 化学气相沉积（cvd）化学气相沉积法[1]用气相化合物分子携带所需原子通过化学反应在基片上沉积下来得到薄膜。
常见的有化学气相沉积（cvd）和金属有机物化学气相沉积（mocvd）。
化学气相沉积zno薄膜用zno，zn或含锌化合物为锌源，先在高温区使其气化，再由气体输运到沉积区在基片上沉积成膜。
金属有机物化学气相沉积是以含锌有机物作为先驱体，在一定温度压力条件下气化、分解、沉积成zno薄膜的方法。
化学气相沉积法中易于实现薄膜的掺杂，可以制备高质量的外延薄膜，但由于常伴随有化学反应发生，需要较高的基片温度，这对于电子器件的制备很不利。
1.2 溶胶凝胶（sol-gel）溶胶凝胶法一般以醋酸锌为原料，在较低的温度下使锌的化合物经液相沉积制得，制成涂层经退火便得到多晶结构。
溶胶凝胶法制成的薄膜均匀性好，对衬底附着力强且易于掺杂，无需真空设备，成本低，并能精确控制掺杂水平，适于批量生产。
但溶胶凝胶法的不足之处是生长的zno薄膜结晶质量不太好，更为重要的是该技术不能与ic平面工艺相容，因此制约了sol-gel的发展。
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1.40
0.54
4.9
20
1.5
-
电子迁移率(cm2/V•s) 1350
8000
1000
2200
900
-
介电常数
11.9 13.18
9.7
5.5
8.9
-
饱和速率(cm/s)
1×107 2×107 2×107 2.7×107 2.5×107
-
LOGO
一、引言
◆ 在紫外探测器方面，目前已投入商业和军事应用的比较常见的是光电 倍增管和硅基紫外光电管。光电倍增管需要在高电压下工作，而且体 积笨重、易损坏，对于实际应用有一定的局限性。硅基紫外光电管需 要附带滤光片，这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。
一、引言
材料 带隙类型
表1 Si、GaAs和宽带隙半导体材料的特性对比
Si和GaAs
宽带隙半导体材料
Si
GaAs
SiC
金刚石
GaN
间接 直接间接来自间接直接ZnO 直接
禁带宽度(eV)
1.119 1.428 2.994
5.5
3.36
3.37
熔点(℃)
1420
1238
2830
4000
1700 1975
热导率(W/cm•K)
◆ 第三代宽带隙半导体材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金刚石等，同第一、 二代电子材料相比，具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、 导热性能好等特点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电 子器件；而利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器 件和光探测器件。
LOGO
◆ 但是由于工艺技术上的问题，特别是材料生长和晶片加工的难题，进展一直十 分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结 外延技术的突破，使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。
◆ 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫 外探测器和MEMS器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性，并开始取 得非常引人注目的进展。
i 产生入的射电 的 空 子光 穴子 对数 个数
◆ 在实际应用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源层中被吸收部分 的大小又取决于材料的吸收系数和厚度，所以实际上只是部分的Popt能被器件有效 地吸收而转化为光电流。定义外量子效率为
◆ 在美国军方的支持下，CREE公司于2001年已将GaN HEMT器件与相关的外延材 料用航天飞机运载到空间站并将它们安置在空间站的舱外，进行轨道运行试验， 以便真实地评估器件的可靠性和抗辐照能力。
◆ 为了进一步推进宽禁带半导体器件的发展，美国国防部在2001年启动宽禁带半导 体技术创新计划(WBSTI)，重点解决材料质量和器件制造技术问题，促进此类器 件工程化应用的进展。
宽禁带半导体紫外 探测器
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主要内容
一 引言 二 宽禁带半导体紫外探测器概述 三 紫外探测器的应用
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一、引言
◆ 第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料由于具 有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件 的特性及使用存在很大局限性，满足不了目前军事系统的要求。
◆ 紫外探测器的性能受到多方面因素的影响，要制备性能优越的紫外探测器， 可以从以下几个问题入手：1）宽禁带半导体材料的生长技术；2）宽禁带 半导体紫外探测器的关键工艺技术；3）探测器结构的设计与优化。
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二、宽禁带半导体紫外探测器概述
1、紫外探测器的性能参数
紫外探测器的主要参数包括暗电流、光电流、响应度、量子效 率和响应时间等。
◆ 在过去十几年中，为了避免使用昂贵的滤光器，实现紫外探测器在太 阳盲区下运行，以材料和外延技术较为成熟的SiC、GaN为代表的宽 带隙半导体紫外探测器引起世界各国重视。
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一、引言
◆ 宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的 器件在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。
hh0 Eg
可得到本征吸收长波限的公式为
0
hc 1.24(m)
Eg Eg(eV)
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二、宽禁带半导体紫外探测器概述
(1) 光谱响应特性
根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收长波限。 ★ 对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器的长波限λ0≈365nm。 ★ 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm 。
LOGO
二、宽禁带半导体紫外探测器概述
(1) 光谱响应特性
◆ 当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的光子才能激发出光生 载流子从而产生光生电流。 ◆ 对于半导体材料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，即 对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一个波长界限λ0，根据 发生本征吸收的条件
从计算结果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收长波限都在紫外区。
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二、宽禁带半导体紫外探测器概述
(2) 响应度
光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参数。光电 响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产生的平均光电流之比， 单位为A/W。
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一、引言
◆ 相比之下，我国对宽禁带半导体材料与器件的研究起步晚，而且研究单位较 少，存在生长设备落后、投入不足、缺少高质量大尺寸的衬底、外延生长 技术不成熟等问题，进展较慢，还处在初步阶段。
◆ 虽然军事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探测器，但目前所 研制的宽禁带半导体紫外探测器还未达到商品化的程度。
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一、引言
❖ 由于SiC、GaN等宽禁带半导体材料在军事领域具有巨大的应用潜力， 很多国家都开展了相关材料与器件的研究：
◆ 美国军方十分重视SiC、GaN器件，美国国防部高级研究计划局(DARPA)、ONR、 空军研究实验室(AFRL)、美国弹道导弹防御组织(BMDO)等部门一直把GaN微波 功率器件作为重点支持的领域。
由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长波长的探测器 来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时，响应率R=0.294A/W；当 波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。
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二、宽禁带半导体紫外探测器概述
(3) 量子效率
量子效率分为内量子效率和外量子效率： ◆ 内量子效率定义为入射至器件中的每一个光子所产生的电子-空穴对数目，即