半导体的类型-N型、P型是怎样定义和区别的？

下面，我们将采用对比分析的方法来认识P型半导体和N型半导体。

P型半导体也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。

N型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。

扩展资料

半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

以GaN（氮化镓）为代表的第三代半导体材料及器件的开发是新兴半导体产业的核心和基础，其研究开发呈现出日新月异的发展势态。GaN基光电器件中，蓝色发光二极管LED率先实现商品化生产 成功开发蓝光LED和LD之后，科研方向转移到GaN紫外光探测器上 GaN材料在微波功率方面也有相当大的应用市场。氮化镓半导体开关被誉为半导体芯片设计上一个新的里程碑。美国佛罗里达大学的科学家已经开发出一种可用于制造新型电子开关的重要器件，这种电子开关可以提供平稳、无间断电源。

参考资料

半导体-百度百科

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。

·669 ·

《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

·670 ·

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。

·671 ·

《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)

·672 ·

SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 29 No. 5 Oct. 2008

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:

[1 ] Spear W E , Lecomber P G. Substitutional doping of

amorphous silicon [ J ] . Solid State Communication ,

1975 ,17 (9) :1 19321 196.

[2 ] Kelly M J . Model amorphous semiconductor

st ructures : tight2binding s2band elect ronic st ructure

[J ] . J . Non2crystalline Solids , 1975 ,18 (1) :55264.

[3 ] Ching W Y,Lin C C , Guttman L. St ructural disorder

and elect ronic properties of amorphous silicon [ J ] .

Phys. Rev. B , 1977 , 16 :5 48825 498.

[4 ] Budianu E , Purica M. Optical improved st ructure of

polycrystalline silicon2based thin2film solar cell [ J ] .

Solar Energy Materials and Solar Cells , 2002 , 72 ( 12

4) :2232229.

[5 ] Tsuda S , Sakai S , Nakano S. Recent progress in a2Si

solar cells[J ] . Appl. Surface Science , 1997 , 113 :7342

740.

[6 ] Wodit sch P , Koch W. Solar grade silicon feedstock

supply for PV indust ry[J ] . Solar Energy Materials and

Solar Cell , 2002 , 72 (1) :11226.

[7 ] Pernet P ,Felder R. Optimization of amorphous silicon

solar cells on polymer film subst rates [ C ] . 14th

European Photovoltaic Solar Energy Conference ,

Spain : Barcelona , 1997 : 2 33922 342.

[8 ] 张春红,张志谦,曹海琳,等. 聚酰亚胺/ 纳米SiO2 杂

化膜的制备和表征[J ] . 材料科学与工艺, 2006 , 14

(6) :6422645.

[9 ] 陈治明. 非晶半导体材料与器件[M] . 北京:科学出版

社,1991. 63.

[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:

[1 ] Litton C W ,Schreiber P J , Smith G A , et al . Design

requirement s for high2sensivity UV solar blind imaging

detectors based on AlGaN / GaN photodetector arrays :

A review[J ] . Proc. SPIE , 2001 , 4 454 : 2182232.

[2 ] Levinshtein M E ,Rumyant sev S L. 先进半导体材料

性能与手册[M] . 北京:化学工业出版社, 2003.

[3 ] McIntosh F G, Bout ros K S , Robert s J C , et al.

Growth and characterization of Al InGaN quaternary

alloys[J ] . Appl. Phys. Lett . ,1996 , 68 (1) :40242.

[4 ] Aumer M E ,LeBoeuf S F , Mclntosh F G, et al. High

optical quality Al InGaN by metalorganic chemical

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

·708 ·

SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol. 29 No. 5 Oct. 2008

在P型半导体中空穴浓度较高，在N型半导体中电子浓度较高。两者结合在一起时，载流子将由高浓度区向低浓度区扩散，结果在两者附近形成一个结区，如图4-3-1所示。在结区基本上不存在自由载流子，只有施主和受主的离子，形成一个空间电荷区，N型一侧带正电，P型一侧带负电，构成一个内部电场，电场将阻止载流子继续扩散。如果在空间电荷区产生电离形成自由载流子，将立即把电子拉向N区，空穴拉向P区。不可能存在自由载流子，所以PN结区称为“耗尽层”。

当给PN外加电压，反向偏置时，即电源正端接N区，负极接P区，使空间电荷电场增强。

电子和空穴分别向正端和负端扩散，结果使“耗尽层”的宽度增大。

耗尽层即为探测器的灵敏区。在电压反向偏置下，耗尽层电阻率极高，相当于外加电压全加在耗尽层端；而P区和N区，自由载流子浓度很高，电阻率很低，相当于两个电极。

探测的射线进入灵敏区(耗尽层)，产生电离，生成大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别迅速向正、负两极漂移、被收集，在输出电路中形成脉冲电信号。

金硅面垒半导体探测器就是以N型硅单晶作基片。将基片经酸处理后形成一氧化层，并在氧化层上镀一层金膜(约10nm厚)。在靠金膜的氧化层具有P型硅特性，在基片背面镀镍接电源正极，金膜与铜外壳接触接电源负极，氧化层构成PN结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。目前金硅面垒探测器灵敏区厚度最大可做到2mm。一般做成圆片状。

金硅面垒探测器，由于耗尽层厚度较薄，主要用于探测带电重粒子(如α、p等)，亦可用作能谱测量，探测效率近于100%。也可用于β射线测量，对γ射线不灵敏。

几种常用金硅面垒探测器特性列于表4-3-1。

图4-3-1 PN结形成及其特性

a—PN结形成过程示意图；b—PN结特性示意图

(a)耗尽层(阴影区)；(b)受主、施主、电子、空穴分布；(c)电子和空穴浓度；(d)施主和受主浓度；(e)净电荷分布；(f)静电电位分布；(g)外加反向偏压时受主、施主、电子和空穴的分布

表4-3-1 几种金硅面垒探测器主要特性

---