氧化鎵日盲探測(cè)器的光電特性測(cè)試方法研究
引言
近年來，隨著導(dǎo)彈預(yù)警，臭氧空洞監(jiān)測(cè)等需求的提出，日盲紫外光電探測(cè)器件的研發(fā)越來越重要，鑒于硅材料的局限性，常用的硅基光電探測(cè)器難以滿足日盲紫外光電探測(cè)的要求，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的日盲紫外光電探測(cè)器成為了新的研究熱點(diǎn)。與AlGaN，MgZnO等寬禁帶半導(dǎo)體相比，β-Ga2O3的禁帶寬度高達(dá)4.9eV，無需合金處理就可滿足日盲紫外光電探測(cè)的技術(shù)要求，不僅可以采用熔體法制備出高質(zhì)量，大尺寸單晶，而且還具有較高的遷移率，較高的擊穿電場(chǎng)，良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，成為近年來興起的重要新興寬禁帶半導(dǎo)體，不僅是功率半導(dǎo)體器件研制的重要候選材料，也將在日盲紫外探測(cè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
光電材料（太陽能電池）光譜響應(yīng)測(cè)試，或稱量子效率QE（Quantum Efficiency）測(cè)試，或光電轉(zhuǎn)化效率IPCE (Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency) 測(cè)試等，廣義來說，就是測(cè)量光電材料的光電特性在不同波長光照條件下的數(shù)值，所謂光電特性包括：光生電流、光導(dǎo)等。本系統(tǒng)可對(duì)小面積探測(cè)器或者太陽能電池進(jìn)行光譜響應(yīng)，外量子效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)也能測(cè)量探測(cè)器或者太陽能電池響應(yīng)不均勻性。本裝置還可以測(cè)量太陽能電池的表面鏡反射比，并計(jì)算太陽能電池的內(nèi)量子效率。
Fig.1測(cè)量原理示意圖。在探測(cè)器或者太陽能電池分別照射恒定偏置輻射和波長為λ單色交變輻射，太陽能電池接收到這兩束輻射后，產(chǎn)生的光電流同時(shí)包含直流分量Itd和交流分量Ita(λ)，用數(shù)字電壓表和鎖相放大器分別測(cè)量這兩個(gè)分量。在測(cè)量被測(cè)太陽電池前，用類似的方法，用同樣光路已經(jīng)測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的光電流Isd和Isa(λ)，標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流Isc(AMx)和響應(yīng)度Rs（λ）是已知的，因此可以得到偏置光：
和響應(yīng)度：
注意：這里的電流都是扣除了暗電流。
圖 1 測(cè)量原理示意圖
相對(duì)光譜響應(yīng)度Rr(λ)為在某以波長λMAX，通常為峰值波長，歸一化。
在被測(cè)太陽電池測(cè)量光譜響應(yīng)的同時(shí)，用光電二極管測(cè)量太陽能電池的表面反射的光電流Itf(λ)，同樣在測(cè)量前，已經(jīng)測(cè)量了已知反射率的ρs(λ)的標(biāo)準(zhǔn)反射板的反射光電Isf(λ)，因此，其光譜反射率ρt(λ)為：
根據(jù)已經(jīng)得到的光譜響應(yīng)度和表面反射率得到太陽電池的內(nèi)量子效率：
這里λ的單位為：µm，Rt(λ)的單位A/W。
實(shí)驗(yàn)方案及分析
實(shí)驗(yàn)方案：
實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是我公司“DSR600-3110-DUV”探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)，
圖2.1“DSR600-3110-DUV”紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)
該系統(tǒng)使用激光驅(qū)動(dòng)的紫外增強(qiáng)氙燈光源。與常規(guī)氙燈想比較，該系統(tǒng)使用的氙燈在200-300nm光強(qiáng)度增強(qiáng)約2-5倍，主要應(yīng)用于日盲探測(cè)器的測(cè)試。
圖2.2激光驅(qū)動(dòng)的紫外增強(qiáng)氙燈光源與常規(guī)氙燈光源能量對(duì)比
實(shí)驗(yàn)分析：
3.1 Ga2O3樣品深紫外光譜響應(yīng)度分析
圖3.1樣品在0.1s，0.5s，1s，5s延時(shí)下的信號(hào)曲線
圖3.2樣品在0.1s，0.5s，1s，5s延時(shí)下的信號(hào)曲線
圖3.1和3.2顯示了樣品在不同延時(shí)下信號(hào)波長的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)峰值波長為 240nm (5.17 eV)，而帶邊是根據(jù)曲線導(dǎo)數(shù)值在 275nm (4.51 eV)。分別在 0.1 s 和 5s 的延時(shí)時(shí)間下測(cè)得的峰值響應(yīng)度值分別為 0.19A/W 和 0.3 A/W，說明樣品的響應(yīng)時(shí)間很慢，因此針對(duì)此類樣品的測(cè)試需要測(cè)試其響應(yīng)時(shí)間。
圖3.3 樣品的在240nm光照射下的IT曲線
圖3.3顯示了樣品的響應(yīng)時(shí)間非常長，50s左右才接近峰值。在測(cè)試過程中通過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)每次測(cè)試數(shù)據(jù)有差別，分析應(yīng)該是時(shí)間原因影響樣品信號(hào)強(qiáng)度，從而進(jìn)行IT掃描，得到樣品的響應(yīng)時(shí)間，以方便用于指導(dǎo)光譜響應(yīng)度測(cè)試。
3.2金剛石/Ga2O3異質(zhì)結(jié)器件測(cè)試分析
圖3.4 樣品在320nm光照射下的IT曲線
從3.4圖可以發(fā)現(xiàn)，器件在不同偏壓下有效信號(hào)（信號(hào)值減去噪音值）偏壓越大，有效信號(hào)越強(qiáng)。因此后面的測(cè)試樣品都是在5V偏壓（理論的擊穿電壓）下進(jìn)行。通過數(shù)據(jù)分析得到樣品的上升時(shí)間約5s。為了保證上升時(shí)間充分測(cè)試了10s延時(shí)，5V偏壓情況下的信號(hào)曲線。
圖3.5 器件的在5V偏壓下，10s延時(shí)的信號(hào)曲線以及暗噪聲曲線
圖3.6 硅探測(cè)器信號(hào)值
從3.5和3.6圖可以發(fā)現(xiàn)，金剛石/Ga2O3異質(zhì)結(jié)器件的峰值波長是320nm，在320nm器件的信號(hào)強(qiáng)度（0.461mA）是硅探測(cè)器（1.15uA）的信號(hào)強(qiáng)度的400倍。3.5圖顯示器件的暗電流比較大，且不同時(shí)間段暗電流大小會(huì)有區(qū)別，所以扣除暗電流會(huì)不太準(zhǔn)確。
在我們軟件中有設(shè)置關(guān)閉快門的按鈕，所以這種響應(yīng)比較慢器件的測(cè)試需要客戶跟進(jìn)器件的性質(zhì)，放置樣品后等待一段時(shí)間，等待過程中可以看到暗噪聲的變化，等暗噪聲值穩(wěn)定后再點(diǎn)擊“確定”按鈕開始采集數(shù)據(jù)。且我們的軟件上還有延遲時(shí)間自主設(shè)置功能，等待時(shí)間和延遲時(shí)間的自主設(shè)置有助于測(cè)試這種響應(yīng)時(shí)間比較慢的樣品。通過上述軟件的操作可以測(cè)試到如下圖的光譜響應(yīng)度曲線。
結(jié)論
DSR600系列光譜響應(yīng)度測(cè)試系統(tǒng)，可以對(duì)樣品的光譜響應(yīng)度和量子效率進(jìn)行定量分析。上述測(cè)試實(shí)驗(yàn)在測(cè)試過程中不僅可以加偏壓，還可以改變延遲時(shí)間來測(cè)試器件的性能，在不同條件下器件性能會(huì)有所不同，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論去驗(yàn)證理論分析，不斷改善器件工藝，使得器件向?qū)嶋H需要的方向發(fā)展。DSR600-3110-DUV系統(tǒng)在200-300nm有較強(qiáng)的光強(qiáng)，是針對(duì)日盲器件測(cè)試的最佳選擇。
參考文獻(xiàn)
[1] Yaxuan Liu，Lulu Du ，Guangda Liang， Wenxiang Mu， Ga2O3 Field-Effect-Transistor-Based Solar-Blind Photodetector With Fast Response and High Photo-to-Dark Current Ratio，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，2018，39，1696-1699
[2] 陳彥成 基于氧化鎵單晶的日盲紫外探測(cè)器特性研究，鄭州大學(xué)，碩士學(xué)位論文
13810146393
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