寬禁帶紫外光電探測器

1、LOGOLOGO 引言引言一一 寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二二LOGO 第一代元素半導(dǎo)體材料第一代元素半導(dǎo)體材料Si以及第二代化合物半導(dǎo)體以及第二代化合物半導(dǎo)體GaAs、InP等材料由于等材料由于具有禁帶寬度小、器件長波截止波長大、最高工作溫度低等特點(diǎn)而使得器具有禁帶寬度小、器件長波截止波長大、最高工作溫度低等特點(diǎn)而使得器件的特性及使用存在很大局限性，滿足不了目前軍事系統(tǒng)的要求。件的特性及使用存在很大局限性，滿足不了目前軍事系統(tǒng)的要求。 第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料主要包括第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金剛石等，同第一、和金剛石等，同第一、二代電子材

2、料相比，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、二代電子材料相比，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件；而利用其特有的寬禁帶，還可以制作藍(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器子器件；而利用其特有的寬禁帶，還可以制作藍(lán)、綠光和紫外光的發(fā)光器件和光探測器件。件和光探測器件。一、引言一、引言LOGO表1 Si、GaAs和寬帶隙半導(dǎo)體材料的特性對比材材 料料Si和和GaAs寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料SiGaAsSiC金剛石金剛石GaNZnO帶隙類型帶隙類型間

3、接間接直接直接間接間接間接間接直接直接直接直接禁帶寬度禁帶寬度(eV)1.1191.4282.9945.53.363.37熔點(diǎn)熔點(diǎn)()142012382830400017001975熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(W/cmK)1.400.544.9201.5-電子遷移率電子遷移率(cm2/Vs)1350800010002200900-介電常數(shù)介電常數(shù)11.913.189.75.58.9-飽和速率飽和速率(cm/s)1107210721072.71072.5107-一、引言一、引言LOGO 在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應(yīng)用的比較常見的是光電在紫外探測器方面，目前已投入商業(yè)和軍事應(yīng)用的比較常見的是光電倍增

4、管和硅基紫外光電管。光電倍增管需要在高電壓下工作，而且體倍增管和硅基紫外光電管。光電倍增管需要在高電壓下工作，而且體積笨重、易損壞，對于實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性。硅基紫外光電管需積笨重、易損壞，對于實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性。硅基紫外光電管需要附帶濾光片，這無疑會增加制造的復(fù)雜性并降低性能。要附帶濾光片，這無疑會增加制造的復(fù)雜性并降低性能。 在過去十幾年中，為了避免使用昂貴的濾光器，實(shí)現(xiàn)紫外探測器在太在過去十幾年中，為了避免使用昂貴的濾光器，實(shí)現(xiàn)紫外探測器在太陽盲區(qū)下運(yùn)行，以材料和外延技術(shù)較為成熟的陽盲區(qū)下運(yùn)行，以材料和外延技術(shù)較為成熟的SiCSiC、GaNGaN為代表的寬為代表的寬帶隙半導(dǎo)體紫外探

5、測器引起世界各國重視。帶隙半導(dǎo)體紫外探測器引起世界各國重視。一、引言一、引言LOGO 寬禁帶半導(dǎo)體材料具有卓越的物理化學(xué)特性和潛在的技術(shù)優(yōu)勢，用它們制作的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有卓越的物理化學(xué)特性和潛在的技術(shù)優(yōu)勢，用它們制作的器件在軍用、民用領(lǐng)域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導(dǎo)體業(yè)界人士的關(guān)注。器件在軍用、民用領(lǐng)域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導(dǎo)體業(yè)界人士的關(guān)注。 但是由于工藝技術(shù)上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進(jìn)展一直十但是由于工藝技術(shù)上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進(jìn)展一直十分緩慢。直到分緩慢。直到20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期至年代后期至90年代初，年代初，SiC單晶生長技術(shù)和單晶

6、生長技術(shù)和GaN異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)外延技術(shù)的突破，使得寬禁帶半導(dǎo)體器件的研制和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。外延技術(shù)的突破，使得寬禁帶半導(dǎo)體器件的研制和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。 用用SiC、GaN材料制造實(shí)用化器件已經(jīng)在電力電子、射頻微波、藍(lán)光激光器、紫材料制造實(shí)用化器件已經(jīng)在電力電子、射頻微波、藍(lán)光激光器、紫外探測器和外探測器和MEMS器件等重要領(lǐng)域顯示出比硅和器件等重要領(lǐng)域顯示出比硅和GaAs更優(yōu)異的特性，并開始更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進(jìn)展。取得非常引人注目的進(jìn)展。 一、引言一、引言LOGOv 由于由于SiCSiC、GaNGaN等寬禁帶半導(dǎo)體材料在軍事領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，等寬禁帶半導(dǎo)體材料在

7、軍事領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，很多國家都開展了相關(guān)材料與器件的研究：很多國家都開展了相關(guān)材料與器件的研究： 美國軍方十分重視美國軍方十分重視SiCSiC、GaNGaN器件，美國國防部高級研究計(jì)劃局器件，美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)(DARPA)、ONRONR、空軍研究實(shí)驗(yàn)室空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)(AFRL)、美國彈道導(dǎo)彈防御組織、美國彈道導(dǎo)彈防御組織(BMDO)(BMDO)等部門一直把等部門一直把GaNGaN微波微波功率器件作為重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。功率器件作為重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。 在美國軍方的支持下，在美國軍方的支持下，CREECREE公司于公司于20012001年已將年已將GaN HEM

8、TGaN HEMT器件與相關(guān)的外延材器件與相關(guān)的外延材料用航天飛機(jī)運(yùn)載到空間站并將它們安置在空間站的艙外，進(jìn)行軌道運(yùn)行試驗(yàn)，料用航天飛機(jī)運(yùn)載到空間站并將它們安置在空間站的艙外，進(jìn)行軌道運(yùn)行試驗(yàn)，以便真實(shí)地評估器件的可靠性和抗輻照能力。以便真實(shí)地評估器件的可靠性和抗輻照能力。 為了進(jìn)一步推進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，美國國防部在為了進(jìn)一步推進(jìn)寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，美國國防部在20012001年啟動寬禁帶半導(dǎo)年啟動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃體技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃(WBSTI)(WBSTI)，重點(diǎn)解決材料質(zhì)量和器件制造技術(shù)問題，促進(jìn)此類器，重點(diǎn)解決材料質(zhì)量和器件制造技術(shù)問題，促進(jìn)此類器件工程化應(yīng)用的進(jìn)展。件工

9、程化應(yīng)用的進(jìn)展。一、引言一、引言 LOGO 相比之下，我國對寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究起步晚，而且研究單位較相比之下，我國對寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的研究起步晚，而且研究單位較少，存在生長設(shè)備落后、投入不足、缺少高質(zhì)量大尺寸的襯底、外延生長少，存在生長設(shè)備落后、投入不足、缺少高質(zhì)量大尺寸的襯底、外延生長技術(shù)不成熟等問題，進(jìn)展較慢，還處在初步階段。技術(shù)不成熟等問題，進(jìn)展較慢，還處在初步階段。 雖然軍事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探測器，但目前所雖然軍事上、民用上都迫切需要高性能、高可靠性的紫外探測器，但目前所研制的寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器還未達(dá)到商品化的程度。研制的寬禁帶半導(dǎo)體紫外探

10、測器還未達(dá)到商品化的程度。 紫外探測器的性能受到多方面因素的影響，要制備性能優(yōu)越的紫外探測器，紫外探測器的性能受到多方面因素的影響，要制備性能優(yōu)越的紫外探測器，可以從以下幾個問題入手：可以從以下幾個問題入手：1 1）寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長技術(shù)；）寬禁帶半導(dǎo)體材料的生長技術(shù)；2 2）寬禁帶）寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器的關(guān)鍵工藝技術(shù)；半導(dǎo)體紫外探測器的關(guān)鍵工藝技術(shù)；3 3）探測器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。）探測器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。一、引言一、引言 LOGO 紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應(yīng)度、量子效紫外探測器的主要參數(shù)包括暗電流、光電流、響應(yīng)度、量子效率和響應(yīng)時間等。率和響應(yīng)時間等。 1、紫外探測

11、器的性能參數(shù)、紫外探測器的性能參數(shù) 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述LOGO 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述 當(dāng)不同波長的光照射探測器時，只有能量滿足一定條件的光子才能激發(fā)出光生當(dāng)不同波長的光照射探測器時，只有能量滿足一定條件的光子才能激發(fā)出光生載流子從而產(chǎn)生光生電流。載流子從而產(chǎn)生光生電流。 對于半導(dǎo)體材料，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或者等于禁帶寬度，即對于半導(dǎo)體材料，要發(fā)生本征吸收，光子能量必須大于或者等于禁帶寬度，即對應(yīng)于本征吸收光譜，探測器對光的響應(yīng)在長波方面存在一個波長界限對應(yīng)于本征吸收光譜，探測器對光的響應(yīng)在長波方面存

12、在一個波長界限 0 0，根據(jù)根據(jù)發(fā)生本征吸收的條件發(fā)生本征吸收的條件gEhh0可得到本征吸收長波限的公式為可得到本征吸收長波限的公式為)()(24. 10meVEEhcggLOGO 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述 根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長波限。根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長波限。 對于對于GaN材料而言，材料而言，Eg=3.4eV，則，則GaN探測器的長波限探測器的長波限0365nm。 對于對于4H-SiC材料，材料，Eg=3.26eV，則其長波限，則其長波限0380nm 。 從計(jì)算結(jié)果可以看出，從計(jì)算結(jié)果可以看出，G

13、aN、4H-SiC材料的本征吸收長波限都在紫外區(qū)。材料的本征吸收長波限都在紫外區(qū)。LOGO 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述 光電響應(yīng)度是表征探測器將入射光轉(zhuǎn)換為電信號能力的一個參數(shù)。光電光電響應(yīng)度是表征探測器將入射光轉(zhuǎn)換為電信號能力的一個參數(shù)。光電響應(yīng)度也稱光電靈敏度，定義為單位入射光功率與所產(chǎn)生的平均光電流之比，響應(yīng)度也稱光電靈敏度，定義為單位入射光功率與所產(chǎn)生的平均光電流之比，單位為單位為A/WA/W。24. 1)( mhqPIRoptph由上式可知，由上式可知，R與與成正比，所以短波長探測器的響應(yīng)度比起長波長的探測器成正比，所以短波長探測器的響應(yīng)度比起長波長

14、的探測器來說響應(yīng)度較小。假設(shè)來說響應(yīng)度較小。假設(shè)=1，則當(dāng)波長為，則當(dāng)波長為365nm時，響應(yīng)率時，響應(yīng)率R=0.294A/W；當(dāng)；當(dāng)波長為波長為200nm時，響應(yīng)率時，響應(yīng)率R=0.161A/W。 LOGO二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述 量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率：量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率： 內(nèi)量子效率定義為入射至器件中的每一個光子所產(chǎn)生的電子內(nèi)量子效率定義為入射至器件中的每一個光子所產(chǎn)生的電子- -空穴對數(shù)目，即空穴對數(shù)目，即入射的光子數(shù)空穴對個數(shù)產(chǎn)生的電子i 在實(shí)際應(yīng)用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源層中被吸收部分在實(shí)際應(yīng)用中，

15、入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源層中被吸收部分的大小又取決于材料的吸收系數(shù)和厚度，所以實(shí)際上只是部分的的大小又取決于材料的吸收系數(shù)和厚度，所以實(shí)際上只是部分的Popt能被器件有效能被器件有效地吸收而轉(zhuǎn)化為光電流。定義外量子效率為地吸收而轉(zhuǎn)化為光電流。定義外量子效率為)1 ()1 ()1 ()()()(0WdfidfeeReRLOGO 寬禁帶半導(dǎo)體材料具有卓越的物理化學(xué)特性和潛在的技術(shù)優(yōu)勢，用它們制作的寬禁帶半導(dǎo)體材料具有卓越的物理化學(xué)特性和潛在的技術(shù)優(yōu)勢，用它們制作的器件在高功率、高溫、高頻和短波長應(yīng)用方面具有比器件在高功率、高溫、高頻和短波長應(yīng)用方面具有比SiSi、GaAsGaAs等

16、器件優(yōu)越得等器件優(yōu)越得多的工作特性，使得它們在軍用、民用領(lǐng)域有更好的發(fā)展前景，一直受到半多的工作特性，使得它們在軍用、民用領(lǐng)域有更好的發(fā)展前景，一直受到半導(dǎo)體業(yè)界人士的關(guān)注。導(dǎo)體業(yè)界人士的關(guān)注。 但是由于工藝技術(shù)上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進(jìn)展一直十但是由于工藝技術(shù)上的問題，特別是材料生長和晶片加工的難題，進(jìn)展一直十分緩慢。直到分緩慢。直到2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代后期至年代后期至9090年代初，年代初，SiCSiC單晶生長技術(shù)和單晶生長技術(shù)和GaNGaN異質(zhì)異質(zhì)結(jié)外延技術(shù)的突破，使得寬禁帶半導(dǎo)體器件的研制和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。結(jié)外延技術(shù)的突破，使得寬禁帶半導(dǎo)體器件的研制和應(yīng)用

17、得到迅速的發(fā)展。 用用SiCSiC、GaNGaN材料制造實(shí)用化器件已經(jīng)在電力電子、射頻微波、藍(lán)光激光器、材料制造實(shí)用化器件已經(jīng)在電力電子、射頻微波、藍(lán)光激光器、紫外探測器和紫外探測器和MEMSMEMS器件等重要領(lǐng)域顯示出比硅和器件等重要領(lǐng)域顯示出比硅和GaAsGaAs更優(yōu)異的特性，并開更優(yōu)異的特性，并開始取得非常引人注目的進(jìn)展。始取得非常引人注目的進(jìn)展。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器概述 2、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器 LOGO SiC的熱導(dǎo)率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比的熱導(dǎo)率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與的高很多，與S

18、i相比更相比更適合于制造紫外光探測器。適合于制造紫外光探測器。 用用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是非常重要的。外光背景中探測紫外輻射是非常重要的。 但由于但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (1) SiC紫外探測器紫外探測器 LOGO GaN的禁帶寬度為的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導(dǎo)體，它的熱導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰，是直接帶隙半導(dǎo)體，它的熱導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、

19、化學(xué)惰性、擊穿電場和帶隙寬度都可與性、擊穿電場和帶隙寬度都可與SiC相比。相比。 GaN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這對制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這對制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件非常重要。的器件非常重要。 三元合金三元合金AlxGa1-xN的禁帶寬度隨的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從組分的變化可以從GaN(x0)的的3.4eV連續(xù)變連續(xù)變化到化到AlN(x=1)的的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從波長可以連續(xù)地從365nm變化到變化到200nm，是制作紫外探測器

20、的理想材料之一。，是制作紫外探測器的理想材料之一。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (2) GaNGaN基紫外探測器基紫外探測器 LOGO ZnO是一種新型的是一種新型的-族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和和GaN同為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有相近的晶格常數(shù)和同為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且，且ZnO具具有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī)電耦合性和較低的電子誘生缺陷。有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī)電耦合性和較低的電子誘生缺陷。 此外，此外，ZnO薄膜的外延生長溫

21、度較低，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。 ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。池、可變電阻等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 ZnO薄膜傳感器具有響應(yīng)速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、薄膜傳感器具有響應(yīng)速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點(diǎn)。原料低廉易得等優(yōu)點(diǎn)。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬

22、禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (3) ZnO基紫外探測器基紫外探測器 LOGO 金剛石是禁帶寬度為金剛石是禁帶寬度為5.45eV的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高的載流子遷移率、高的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高的載流子遷移率、高的擊穿電壓、高的熱導(dǎo)率、高摻雜性和化學(xué)惰性，是非常適合于制備探測器的擊穿電壓、高的熱導(dǎo)率、高摻雜性和化學(xué)惰性，是非常適合于制備探測器件的材料。件的材料。 由于金剛石膜的禁帶寬度比由于金剛石膜的禁帶寬度比GaN大，在短于大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應(yīng)，且具有很強(qiáng)的可見光盲性，它的光生電流比測器有很大的光譜響應(yīng)，且具有很強(qiáng)的可見光盲

23、性，它的光生電流比Si探測探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強(qiáng)。的強(qiáng)。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (4) 金剛石紫外探測器金剛石紫外探測器 LOGO二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 2 2、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器的結(jié)構(gòu)、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)基本工作方式的不同，寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器可以分為根據(jù)基本工作方式的不同，寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器可以分為光電導(dǎo)探測器（無結(jié)器件）和光生伏特探測器（結(jié)型器件），其中光電導(dǎo)探測器（無結(jié)器件）和光生伏特探測器（結(jié)型器件），其中光生伏特探測器又分為肖特

24、基勢壘型、金屬光生伏特探測器又分為肖特基勢壘型、金屬- -半導(dǎo)體半導(dǎo)體- -金屬（金屬（MSMMSM）型、型、pnpn結(jié)型、結(jié)型、pinpin結(jié)型等。結(jié)型等。 LOGO幾種不同類型寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖幾種不同類型寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 2 2、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器的結(jié)構(gòu)、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器的結(jié)構(gòu) LOGO 光電導(dǎo)探測器，簡稱光電導(dǎo)探測器，簡稱PC探測器，是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制作的光探測器。探測器，是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制作的光探測器。 一塊半導(dǎo)體體材料和兩個歐姆接觸即可構(gòu)成光導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的紫外探測器。一塊半導(dǎo)體體材料和兩

25、個歐姆接觸即可構(gòu)成光導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的紫外探測器。 光導(dǎo)型紫外探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝容易和內(nèi)部增益高等優(yōu)點(diǎn)，但不足之光導(dǎo)型紫外探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝容易和內(nèi)部增益高等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是響應(yīng)速度慢、暗電流大。處是響應(yīng)速度慢、暗電流大。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (1) 光導(dǎo)型紫外探測器光導(dǎo)型紫外探測器 LOGO 實(shí)際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應(yīng)度與低的暗電流于一身，具實(shí)際上就是一個肖特基勢壘二極管，可集高的響應(yīng)度與低的暗電流于一身，具有響應(yīng)時間短、量子效率高、勢壘高度高、回避有響應(yīng)時間短、量子效率高、勢壘高度高、回避p p型等優(yōu)點(diǎn)。型等優(yōu)點(diǎn)。 但它存在一

26、些問題：但它存在一些問題：1 1）由于光照射半導(dǎo)體時必須通過金屬電極入射或者通過透明的襯底背面入射，因而入射光）由于光照射半導(dǎo)體時必須通過金屬電極入射或者通過透明的襯底背面入射，因而入射光會受到較大損失。但是因?yàn)榇蠖鄶?shù)半導(dǎo)體在紫外波段都吸收很厲害，吸收系數(shù)一般較大，會受到較大損失。但是因?yàn)榇蠖鄶?shù)半導(dǎo)體在紫外波段都吸收很厲害，吸收系數(shù)一般較大，所以使用良好的抗反射層，使大部分光吸收在表面結(jié)附近是完全可以實(shí)現(xiàn)的；所以使用良好的抗反射層，使大部分光吸收在表面結(jié)附近是完全可以實(shí)現(xiàn)的；2 2）金屬）金屬- -半導(dǎo)體接觸所形成的結(jié)比較淺，主要在半導(dǎo)體表面附近；半導(dǎo)體接觸所形成的結(jié)比較淺，主要在半導(dǎo)體表面附

27、近；3 3）肖特基結(jié)構(gòu)受表面態(tài)影響嚴(yán)重，表面態(tài)由很多深能級組成，可加劇光生電子）肖特基結(jié)構(gòu)受表面態(tài)影響嚴(yán)重，表面態(tài)由很多深能級組成，可加劇光生電子- -空穴對的復(fù)空穴對的復(fù)合，從而降低器件的量子效率。要消除表面態(tài)是非常困難的，這在一定程度上制約了肖合，從而降低器件的量子效率。要消除表面態(tài)是非常困難的，這在一定程度上制約了肖特基結(jié)構(gòu)器件的發(fā)展。特基結(jié)構(gòu)器件的發(fā)展。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (2) 肖特基勢壘紫外探測器肖特基勢壘紫外探測器 LOGO 1985年德國半導(dǎo)體電子研究所率先發(fā)明了橫向結(jié)構(gòu)叉指狀電極的肖特基光電年德國半導(dǎo)體電子研究所率先發(fā)明了橫向結(jié)構(gòu)叉指

28、狀電極的肖特基光電二極管二極管(MSM-PD)，改善了傳統(tǒng)光電二極管的性能。，改善了傳統(tǒng)光電二極管的性能。二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (3) MSM型紫外探測器型紫外探測器 此結(jié)構(gòu)是用平面線型叉指電極和半導(dǎo)體材料形成此結(jié)構(gòu)是用平面線型叉指電極和半導(dǎo)體材料形成“背靠背背靠背”的雙肖特基勢壘。的雙肖特基勢壘。當(dāng)當(dāng) 在電極上加上直流偏置電壓時，一個勢壘正向偏置，另一個勢壘則反向偏置，在電極上加上直流偏置電壓時，一個勢壘正向偏置，另一個勢壘則反向偏置，因此暗電流極小，幾乎比同種材料的光電導(dǎo)探測器的暗電流小因此暗電流極小，幾乎比同種材料的光電導(dǎo)探測器的暗電流小3-5個數(shù)

29、量級。個數(shù)量級。 MSM型光伏探測器不需要進(jìn)行型光伏探測器不需要進(jìn)行p型摻雜，具有響應(yīng)度高、速度快、隨偏壓變化型摻雜，具有響應(yīng)度高、速度快、隨偏壓變化小、制備工藝簡單、造價低、易于單片集成等優(yōu)點(diǎn)，得到人們的普遍關(guān)注。小、制備工藝簡單、造價低、易于單片集成等優(yōu)點(diǎn)，得到人們的普遍關(guān)注。LOGO pn結(jié)光伏型探測器是將結(jié)區(qū)做成一個結(jié)光伏型探測器是將結(jié)區(qū)做成一個pn結(jié)，當(dāng)適當(dāng)頻率的光照射探測器的有結(jié)，當(dāng)適當(dāng)頻率的光照射探測器的有源區(qū)時，光生載流子在內(nèi)建電場的作用下在外電路形成光電流；源區(qū)時，光生載流子在內(nèi)建電場的作用下在外電路形成光電流； 它在一般的光伏工作模式下沒有內(nèi)增益，當(dāng)它在一般的光伏工作模式下

30、沒有內(nèi)增益，當(dāng)pn結(jié)正偏時導(dǎo)通，其暗電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)結(jié)正偏時導(dǎo)通，其暗電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光生電流，而反偏時，只有很小的暗電流，所以，探測器常常工作在反大于光生電流，而反偏時，只有很小的暗電流，所以，探測器常常工作在反偏狀態(tài)；偏狀態(tài)； 一般一般p區(qū)和區(qū)和n區(qū)的厚度遠(yuǎn)大于結(jié)區(qū)，所以電流主要由擴(kuò)散電流決定，而且主要區(qū)的厚度遠(yuǎn)大于結(jié)區(qū)，所以電流主要由擴(kuò)散電流決定，而且主要取決于表層吸收產(chǎn)生的載流子，因此在很大程度上降低了探測器的響應(yīng)時間。取決于表層吸收產(chǎn)生的載流子，因此在很大程度上降低了探測器的響應(yīng)時間。 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (4) pn結(jié)型紫外探測器結(jié)型紫外探測器 LOG

31、O 二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介二、寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器簡介 (5) pin結(jié)型紫外探測器結(jié)型紫外探測器 為有效地提高器件靈敏度和響應(yīng)速度，可以在為有效地提高器件靈敏度和響應(yīng)速度，可以在p層和層和n層之間夾入一層本征層之間夾入一層本征 的的i層，以增加耗盡層的寬度。層，以增加耗盡層的寬度。 為使為使pin器件具有高的響應(yīng)速度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使光在耗盡區(qū)吸收，器件具有高的響應(yīng)速度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使光在耗盡區(qū)吸收，p層層的厚度要較小。的厚度要較小。 一般一般pin光電二級管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光電二極管模光電二級管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光電二極管模式），使光生電流

32、和暗電流的差別最大，從而使靈敏度提高。式），使光生電流和暗電流的差別最大，從而使靈敏度提高。 在不是太高的偏壓下，隨反向偏壓的增加，不僅響應(yīng)率提高，而且響應(yīng)速在不是太高的偏壓下，隨反向偏壓的增加，不僅響應(yīng)率提高，而且響應(yīng)速度也提高，這是因?yàn)殡S偏壓的增加，耗盡區(qū)加寬，降低了結(jié)電容，因而有較度也提高，這是因?yàn)殡S偏壓的增加，耗盡區(qū)加寬，降低了結(jié)電容，因而有較小的小的RC時間常數(shù)。時間常數(shù)。LOGO三、紫外探測器的應(yīng)用三、紫外探測器的應(yīng)用 LOGO 寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測技術(shù)與傳統(tǒng)的紅外及其它光電探測方式相比具有寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測技術(shù)與傳統(tǒng)的紅外及其它光電探測方式相比具有不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在

33、：不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在： 在紫外區(qū)，由空間造成的紫外背景輻射較少，同時由于中紫外區(qū)位于太陽盲區(qū)，在紫外區(qū)，由空間造成的紫外背景輻射較少，同時由于中紫外區(qū)位于太陽盲區(qū)，系統(tǒng)避開了最大的自然光源，信號檢測難度下降，虛警率下降，從而對發(fā)動系統(tǒng)避開了最大的自然光源，信號檢測難度下降，虛警率下降，從而對發(fā)動機(jī)、導(dǎo)彈、等離子體輻射等產(chǎn)生的紫外輻射能作出準(zhǔn)確的判斷；機(jī)、導(dǎo)彈、等離子體輻射等產(chǎn)生的紫外輻射能作出準(zhǔn)確的判斷； 紫外探測具有極低的誤報(bào)率；紫外探測具有極低的誤報(bào)率； 紫外探測屬于無源被動探測，不輻射電磁波，隱蔽性好，從而具有較高的軍事紫外探測屬于無源被動探測，不輻射電磁波，隱蔽性好，從而具

34、有較高的軍事價值；價值； 紫外探測技術(shù)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，不制冷，不掃描，重量減輕，體積減小。紫外探測技術(shù)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，不制冷，不掃描，重量減輕，體積減小。三、紫外探測器的應(yīng)用三、紫外探測器的應(yīng)用 LOGO三、紫外探測器的應(yīng)用三、紫外探測器的應(yīng)用 紫外探測器在軍事和民用方面均有很高的應(yīng)用價值：紫外探測器在軍事和民用方面均有很高的應(yīng)用價值： 軍事上，紫外探測技術(shù)可用于紫外告警、紫外通訊、紫外制導(dǎo)、紫外干擾等軍事上，紫外探測技術(shù)可用于紫外告警、紫外通訊、紫外制導(dǎo)、紫外干擾等領(lǐng)域。領(lǐng)域。 【19911991年的海灣戰(zhàn)爭、年的海灣戰(zhàn)爭、19991999年的科索沃危機(jī)，大量高技術(shù)武器裝備在年的科索

35、沃危機(jī)，大量高技術(shù)武器裝備在戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用及其所取得的驚人作戰(zhàn)效果給我們以啟迪：未來的高技術(shù)戰(zhàn)場上的廣泛應(yīng)用及其所取得的驚人作戰(zhàn)效果給我們以啟迪：未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭是電子戰(zhàn)發(fā)揮巨大作用的戰(zhàn)爭。沒有戰(zhàn)爭是電子戰(zhàn)發(fā)揮巨大作用的戰(zhàn)爭。沒有“制電磁權(quán)制電磁權(quán)”，就很難有，就很難有“制天制天權(quán)權(quán)”、“制空權(quán)制空權(quán)”、“制海權(quán)制海權(quán)”、“制陸權(quán)制陸權(quán)”，沒有，沒有“電磁優(yōu)勢電磁優(yōu)勢”，很難有，很難有“鋼鐵優(yōu)勢鋼鐵優(yōu)勢”。】LOGO三、紫外探測器的應(yīng)用三、紫外探測器的應(yīng)用 紫外線作為光電電子戰(zhàn)威脅頻段之一，其技術(shù)的軍事應(yīng)用主要有以下幾個方面：紫外線作為光電電子戰(zhàn)威脅頻段之一，其技術(shù)的軍事應(yīng)用主要有以下幾個方

36、面： 紫外制導(dǎo)紫外制導(dǎo) 盡管紅外制導(dǎo)是目前導(dǎo)彈的主流制導(dǎo)方式，盡管紅外制導(dǎo)是目前導(dǎo)彈的主流制導(dǎo)方式， 但隨著紅外對抗技術(shù)的日趨成熟，但隨著紅外對抗技術(shù)的日趨成熟，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的功效受到了嚴(yán)重地威脅。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的功效受到了嚴(yán)重地威脅。 為了反紅外對抗技術(shù)，制導(dǎo)技術(shù)正在向雙色制導(dǎo)方面發(fā)展，這其中也包括紅外為了反紅外對抗技術(shù)，制導(dǎo)技術(shù)正在向雙色制導(dǎo)方面發(fā)展，這其中也包括紅外-紫外雙色制導(dǎo)方式。紫外雙色制導(dǎo)方式。 在受到敵方紅外干擾時，仍可使用紫外探測器探測目標(biāo)的紫外輻射，并把導(dǎo)彈在受到敵方紅外干擾時，仍可使用紫外探測器探測目標(biāo)的紫外輻射，并把導(dǎo)彈導(dǎo)引至目標(biāo)進(jìn)行攻擊。導(dǎo)引至目標(biāo)進(jìn)行攻擊。 據(jù)報(bào)道，美

37、國及北約盟軍的陸海軍在據(jù)報(bào)道，美國及北約盟軍的陸海軍在1989 年裝備使用的尾刺年裝備使用的尾刺(Stinger Pest) 對對空導(dǎo)彈中就采用了這種紅外空導(dǎo)彈中就采用了這種紅外-紫外雙色制導(dǎo)技術(shù)。紫外雙色制導(dǎo)技術(shù)。LOGO三、紫外探測器的應(yīng)用三、紫外探測器的應(yīng)用 紫外預(yù)警紫外預(yù)警 紫外線為對付導(dǎo)彈的威脅紫外線為對付導(dǎo)彈的威脅, , 導(dǎo)彈入侵報(bào)警器是必要的裝備。導(dǎo)彈入侵報(bào)警器是必要的裝備。 目前的導(dǎo)彈入侵報(bào)警方式主要有依賴?yán)走_(dá)工作的主動式報(bào)警和包括紅外、激光目前的導(dǎo)彈入侵報(bào)警方式主要有依賴?yán)走_(dá)工作的主動式報(bào)警和包括紅外、激光和紫外線告警為主的被動式報(bào)警。和紫外線告警為主的被動式報(bào)警。 紫外預(yù)警

38、是根據(jù)紫外探測器對導(dǎo)彈等飛行目標(biāo)尾焰中的紫外輻射靈敏的特性，紫外預(yù)警是根據(jù)紫外探測器對導(dǎo)彈等飛行目標(biāo)尾焰中的紫外輻射靈敏的特性，對短程空對短程空- -空導(dǎo)彈及地空導(dǎo)彈及地- -空導(dǎo)彈，尤其是對雷達(dá)告警所不能探測的紫外制導(dǎo)導(dǎo)彈空導(dǎo)彈，尤其是對雷達(dá)告警所不能探測的紫外制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行近距離預(yù)警，保護(hù)直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等慢速平臺免遭其它導(dǎo)彈的攻擊。進(jìn)行近距離預(yù)警，保護(hù)直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等慢速平臺免遭其它導(dǎo)彈的攻擊。 國外已研制成功了多種紫外線報(bào)警器。美國洛拉爾公司在國外已研制成功了多種紫外線報(bào)警器。美國洛拉爾公司在1988 1988 年就為美國海年就為美國海軍的軍的C-1305 C-1305 直升機(jī)和直升機(jī)和P-3S P-3S 運(yùn)輸機(jī)研制成功了世界上第一臺紫外報(bào)警器運(yùn)輸機(jī)研制成功了世界上第一臺紫外報(bào)警器AAR-47AAR-47，不久就有上千套不久就有上千套分別裝備于美、英、加、澳等國的飛機(jī)。分別裝備于美、英、加、澳等國的飛機(jī)。 美國西美國西屋公司在美國海軍的資助下也研制出屋公司在美國海軍的資助下也研制出PMAW S-2000 PMAW S