[發明專利]一種利用質子輻照制備超快響應GaN光電導開關的方法

有效

• 申請號: 201710477886.2
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107369736B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 畢臻;楊曉東;張進成;張春福;呂玲;林志宇
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L31/18;H01L21/263
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種利用質子輻照制備超快響應GaN光電導開關的方法，本發明利用質子束作為輻照源，采用兩種不同能量和注量的質子束，先后輻照GaN光電導開關器件，以此獲得超快響應特性。制作的GaN光電導開關包括藍寶石襯底和GaN層，所述GaN層包括AlN成核層、GaN高溫緩沖層、i?GaN層和n?GaN層，在n?GaN層上引出Ni/Cr/Au金屬電極。本發明采用的質子輻照條件為：質子注量為：1×10¹¹～9×10¹⁸/cm²；質子能量為：0.5～10MeV。利用該方法可以明顯改善和提高光電導器件的響應特性，制備超快響應照GaN光電導開關器件，可應用于超快光電子學和大功率電磁脈沖產生等領域，具有重大的科學價值和廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于超快光電探測領域，涉及一種光電導型GaN半導體光電導開關(PCSS)。

背景技術

GaN、SiC和金剛石等寬禁帶半導體材料具有優異的耐高壓特性，尤其是GaN光電導開關很適合應用于高電壓、大功率光電轉換系統。更為重要的是，作為直接帶隙的GaN除了擁有和GaAs相當的亞皮秒響應速度外，還具有高電子飽和速率(2.5×10⁷cm/s)、高熱導率(1.3W/cm K)的特點，并且具有更高的擊穿場強(3.5x10⁶V/cm)和良好的線性工作模式，使其在制備高可靠性、快速響應、大功率固態光電開關方面，具有非常重要的研究價值和應用前景。

光電導開關的關鍵性能要求是：耐高壓和超快光電響應。一方面，在盡可能高的偏壓下，實現器件的暗態高電阻和開態低電阻，提高開關比；另一方面，提高時間響應速度，尤其是減少下降時間、縮短半高寬。要實現這兩個目的，最直接有效的方法就是在GaN中引入深能級缺陷，成為有效載流子陷阱，光生載流子復合壽命變短，實現對載流子的快速俘獲和釋放。關態時，大量的背景載流子被陷阱俘獲，實現高電阻率；而開態時，電阻率的降低主要由光照時，從深能級陷阱釋放出的光生載流子數目決定。這些深能級缺陷由于濃度分布、能級位置以及電離能的不同，對暗態俘獲、開態釋放載流子的影響非常關鍵。

目前對GaN PCSS的研究，主要采用兩種方法：一是，低溫、低壓法，在生長GaN時會產生少量深能級缺陷。但這種方法引入的缺陷數目非常有限，濃度分布的可控性較差，電阻率很難有較大提高。二是，利用Fe原子摻雜法，獲得高電阻率的半絕緣GaN。

然而，Fe雜質摻雜也會存在以下問題：1)Fe原子在GaN中的固溶度僅為0.4％，Fe摻雜濃度增大時，很容易生成Fe單晶團簇，也易于和N結合生成Fe-N納米團簇(如Fe³N)，薄膜質量下降，表面粗糙，晶體取向變差。載流子散射截面增大，導致遷移率下降嚴重，器件開態電流低；2)進入晶格的Fe原子，會替代Ga原子位置或填充原有的Ga空位，作為Fe3+深受主缺陷，先俘獲電子后成為Fe²⁺態，再俘獲空穴。而Fe摻入越多，又會引入更多的起受主作用的刃位錯，與Fe³⁺之間會產生自補償效應；并且隨Fe摻入越多作用越明顯，導致GaN電阻率增大程度受限。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種利用質子輻照制備超快響應GaN光電導開關的方法，該方法利用質子束作為輻照源，可以明顯改善和提高光電導器件的響應特性，其作用在于：一方面，可以在GaN禁帶中引入深能級缺陷，使費米能級向禁帶中心漂移，多數載流子減少，降低材料的電導率，產生載流子去除效應，且減少量隨輻射注量的增加而增加；另一方面，輻射缺陷還會對少數載流子壽命產生很大的影響，作為復合中心，降低少數載流子壽命。

為達到上述目的，本發明是通過下述技術方案來實現的。

本發明的一種超快響應GaN光電導開關，包括藍寶石襯底和GaN層，所述GaN層包括AlN成核層、GaN高溫緩沖層、i-GaN層和n-GaN層，在n-GaN層上引出Ni/Cr/Au金屬電極。