宽禁带紫外光电探测器资料
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 -
实验14 禁带宽度的测量
实验十四 禁带宽度的测量应物0903 蔡志骏 u200910207 张文杰 u200910205一、实验目的1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法。
2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射（吸收）光谱3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带宽度。
二、实验原理1、禁带宽度的涵义(1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围 (2)、禁带支付表示价键束缚的强弱 2、允许的带间直接跃迁在跃迁过程中波矢改变量0k ∆=，这种跃迁为允许带间直接跃迁。
这种跃迁满足g g E ω=如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸收过程，对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有()()1412210gE cmαωω-≈⨯-吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。
3、禁戒的带间直接跃迁在一些情况中，0k = 的跃迁被选择定则1L ∆=±禁止，而0k ≠的跃迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。
虽然在0k = 徙的跃迁几率为0，但是0k ≠处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于2k ，此时的吸收系数为()()411.310gE cmωαωω--=⨯由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不在k空间同一位置而发生直接跃迁。
(1)、当g p E E ω>- 时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为()()2exp 1g p p B c E E E k T αωαω-+=⎛⎫- ⎪⎝⎭(2)、对于g p E E ω>+ 时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声子的吸收。
其中伴随一个声子发射的吸收光谱为()()21exp g p e p B c E E E k T ωαω--=⎛⎫- ⎪⎝⎭以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。
5、透射率、吸光度与吸收系数之间的关系吸光度A 与透射率T 的关系为1lgA T=光吸收规律()0exp I I x α=-α为吸收系数，x 为光的传播距离，根据朗伯—比尔定律，A 正比于α。
紫外探测器原理
紫外探测器原理紫外探测器是一种可以检测紫外光的光电传感器，广泛应用于科学研究、工业检测、环境监测等领域。
它基于紫外光与物质之间的相互作用原理，将光信号转换为电信号，实现对紫外光的探测、测量和分析。
紫外探测器的工作原理基于紫外光的光电效应，即当紫外光照射到感光材料上时，光子的能量被传递给感光材料中的电子，使其从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
紫外光的强度越大，传递给感光材料的能量就越大，电子的跃迁数量就越多，形成的电子空穴对也就越多。
接着，这些电子空穴对会被电场分离并收集到电极上，产生电流信号，从而实现对紫外光的探测。
常用于紫外探测器的感光材料有硅（Si）、氮化镓（GaN）、硒化镉（CdSe）等。
硅是一种常见的半导体材料，具有良好的光电性能和相对较宽的响应范围，在宽波长范围内都能对紫外光产生响应。
氮化镓则是一种具有较高选择性的材料，适用于高能量的光子探测。
而硒化镉则是一种高灵敏度的材料，适用于高精度的紫外光测量。
除了感光材料，紫外探测器还包括光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件。
光透过窗用于过滤掉紫外光以外的光线，确保只有紫外光能够进入探测器。
滤光膜则用于进一步调节入射光的波长和强度，以满足具体应用需求。
光敏电极则负责收集感光材料中产生的电子空穴对，将其转化为电流信号。
在实际应用中，紫外探测器通常与信号放大器、滤波器、数据采集系统等设备结合使用，以提高信号的检测灵敏度和增加探测范围。
信号放大器将探测器输出的微弱电流放大为可测量的电压信号，滤波器则用于进一步滤除噪音和杂散光，数据采集系统则用于记录和分析探测器输出的电信号。
总的来说，紫外探测器的原理是基于光电效应，通过感光材料吸收和转换紫外光的能量，产生电流信号。
感光材料的选择、光透过窗、滤光膜、光敏电极等组件的设计和优化，以及与其他设备的配合使用，都是实现高灵敏度、高准确性紫外光探测的关键。
日盲紫外光电探测器结构
日盲紫外光电探测器结构日盲紫外光电探测器（Solar Blind Ultraviolet Photodetector）是一种能够在太阳能紫外线波段（200-280纳米）具有高响应度和低响应度的探测器。
它在紫外线波段的探测对于环境监测、军事侦查、卫星通信等领域都有重要的应用。
首先是光敏元件，它是日盲紫外光电探测器的核心部分，用于接收紫外光并产生电荷载流子。
常用的光敏元件有硅（Si）材料和氮化镓（GaN）材料的PIN结构二极管。
硅材料具有高响应度和低响应度的特点，但其长波边缘在280纳米左右，因此不能实现日盲性。
而氮化镓材料具有非常好的紫外光透过性，在200纳米以下具有低响应度，能够实现日盲特性。
其次是光学系统，它主要用于将入射的紫外光聚焦到光敏元件上，提高光信号接收效率。
光学系统通常由凸透镜和滤光片组成，凸透镜用于聚焦光线，滤光片用于屏蔽可见光和红外光。
进一步是电子信号处理系统，它主要用于放大和转换光敏元件产生的微弱电流信号。
电子信号处理系统通常由前置放大器、滤波器、放大器和模数转换器等组成。
前置放大器用于放大微弱电流信号，滤波器用于除去噪声和杂散信号，放大器用于进一步放大信号，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。
最后是外壳保护，它用于保护整个光电探测器免受外界环境的干扰和损伤。
外壳通常采用金属材料制成，具有良好的导热性和机械强度，并可以有效地屏蔽外界干扰源。
总结来说，日盲紫外光电探测器的结构主要包括光敏元件、光学系统、电子信号处理系统和外壳保护。
光敏元件负责接收和产生电荷载流子，光学系统用于聚焦紫外光，电子信号处理系统用于放大和转换信号，外壳保护用于保护整个探测器。
这些部件的结合使得日盲紫外光电探测器能够高效地探测太阳能紫外线波段的信号。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
LOGO
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
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。
LOGO
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。
R I ph q (m) Popt h 1.24
◆ 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。
LOGO
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。
◆ 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。
LOGO
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。
h h 0 Eg
可得到本征吸收长波限的公式为
0
hc Eg
1.24 (m) Eg (eV )
LOGO
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
◆ 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
◆ 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。
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Fra bibliotekGaN
间接 直接
间接
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)
◆ 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
产生的电子 空穴对个数 入射的光子数
◆ 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
宽禁带半导体紫外 探测器
LOGO
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
LOGO
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。
LOGO
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。
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。
LOGO
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。