pin型GaN雪崩器件p层载流子浓度测量方法与流程

本发明涉及半导体光电器件特征参数的检测技术领域，具体涉及一种pin型gan雪崩器件p层载流子浓度测量方法。

背景技术：

半导体中的迁移电子或空穴，即载流子，是光电子器件的核心载体。载流子在器件中不断产生与复合，其浓度能够影响雪崩器件中碰撞的电离等现象，从而对雪崩器件的击穿电压、倍增因子等起关键作用。鉴于此，雪崩探测器的载流子浓度是决定器件性能的核心信息。

测量某层载流子浓度一般的方法就是给单层样品做上欧姆接触，然后用霍尔测试进行测量。但是因为氮化镓材料的功函数很大，无法通过找到更高的功函数的金属的方法来制备欧姆接触。一般采用隧穿效应制成的欧姆接触，性能往往不理想，所以不太适合用霍尔测试。

为此，本发明结合电流-电压曲线和器件中电场强度的分布建模，提出一种获取pin型gan雪崩器件中p层载流子的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种载流子浓度测量方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种载流子浓度测量方法，包括如下步骤：

在相同的条件下分布生长i层和n层氮化镓，并用金属电极做好欧姆接触，再利用霍尔效应测试对应的i层和n层的载流子浓度；

在没有光照情况下，pin型gan雪崩探测器器件反向偏压时的电流-电压曲线，并读出电流刚开始呈指数增长时的临界反向电压值；

根据泊松方程建立pin型gan雪崩探测器器件在反向偏压下的电场强度分布图e-x；

依据氮化镓材料刚好雪崩击穿时最大电场强度，结合电场强度分布图，由测得的临界反向电压值反推出p层载流子浓度。

其中，使用的是霍尔测试系统，并测试之前先对样品表面用丙酮、异丙醇水浴加热，再用去离子水冲洗；接着将样品放入盐酸和双氧水配比为1∶1的溶液中浸泡10分钟，最后用去离子水冲洗。

其中，所述利用霍尔效应测试时，采用电流和磁场换向的对称测量法。

其中，所述电流测量使用的是探针测试平台。氮化镓的禁带宽度为3.4ev，对应的响应波长峰值为360nm，要避免这个波段附近的光。

其中，所述电流测量时所使用的测试设备需要有足够的电压和电流测试范围，保证能测到雪崩击穿时的电压和电流值，并且保证器件不烧坏。

其中，所述电场强度分布图基于载流子浓度的分布，并依靠泊松方程得到图像斜率，即：

其中，是电势，e是电场强度，x是位置坐标，ρ是所在区域的电荷密度，εr是氮化镓材料的相对介电常数，ε0是真空的介电常数，n为各层载流子浓度。在pin器件中，各层电荷密度大小约等于载流子浓度与元电荷乘积。

其中，所述刚好发生雪崩击穿时电场强度分布图e-x图像围成的面积等于临界雪崩击穿电压，零偏时器件本身的内建电势相对于雪崩电压很小，可以忽略，计算方程如下，即：

其中，vr是临界雪崩击穿电压，emax是gan临界击穿时最大电场强度，其范围为2-4mv/cm，np是p层载流子浓度，ni是i层载流子浓度，nn是n层载流子浓度，e为元电荷，xp为p层厚度，xi为i层厚度。

基于上述技术方案可知，本发明的载流子浓度测量方法相对于现有技术至少具有如下有益效果中之一：

(1)本发明的测试方法不需要p层欧姆接触质量非常好，降低了测试难度；

(2)本发明的测试方法是一种非消耗性测试方法，可以对试样进行重复检测。

附图说明

图1是本发明方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中所用的一种pin型gan雪崩器件的结构示意图；

图3是本发明实施例中利用探针测试平台测量的电流随反向电压增加的数据图；

图4是根据泊松方程大致描绘的电场强度随位置的变化图。

具体实施方式

本发明公开了一种获取pin型gan雪崩器件p层载流子浓度的方法。该方法的依据是临界雪崩击穿电压可以由探针测试平台测量，载流子浓度会影响器件电场强度分布，电场强度随位置的积分之和就是临界雪崩电压。结合测过的i层浓度、n层浓度、p层厚度、i层厚度以及氮化镓刚好击穿时最大电场强度，就可以列出等式解出p层载流子浓度。

具体的，如图1所示，本发明获取p层载流子浓度的步骤如下：

步骤1、首先利用金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)在相同的温度、压强、气体流量的条件下生长出单层的i层和n层氮化镓样品。先后用丙酮、异丙醇水浴去除表面有机杂质，用去离子水冲洗干净。接着用盐酸和浸泡样品去除无机杂质，再用去离子水冲洗干净。接着用半导体工艺在样品表面镀上金属形成欧姆接触。将样品接好电级后，放入霍尔测试系统，设定系统测量改变磁场和电流方向之后的四次霍尔电压值，并根据霍尔电压值计算出i层和n层的载流子浓度。

步骤2、生长pin型gan雪崩器件的结构，并根据生长时间和环境参数分析出各层生长的厚度。并用标准的半导体工艺制备出正电级和负电级。将样品放入探针测试平台，并保证在暗光情况下测量，特别是避免360nm的波长影响。加上反向电压，测量电流-电压曲线。反向电压从低到高往上加，当电流出现指数增长时，记录电压数据。并在进行多次重复测量，确定雪崩效应的可靠性。

步骤3、根据泊松方程，载流子浓度会影响电场强度的分布。

其中是电势，e是电场强度，x是位置坐标，ρ是所在区域的电荷密度，εr是氮化镓材料的相对介电常数，ε0是真空的介电常数，n为各层载流子浓度。在pin器件中，各层电荷密度大小约等于载流子浓度与元电荷乘积。假定每一层的载流子浓度分布是均匀的，而且各层载流子浓度不会相互影响，可以大致绘制出器件在雪崩情况下电场强度随位置的变化图e-x。

步骤4、根据步骤1测量得到i层和n层的载流子浓度，步骤2中p、i、n各层的厚度，步骤2中的临界雪崩电压和gan材料刚发生雪崩击穿时最大电场强度emax＝3mv/cm，可以根据e-x图像围成的面积等于反向击穿电压，。零偏时器件本身的内建电势相对于雪崩电压很小，可以忽略，列出如下等式，解出p层载流子浓度值。

其中，vr是临界雪崩击穿电压，emax是临界击穿时最大电场强度，np是p层载流子浓度，ni是i层载流子浓度，nn是n层载流子浓度，e为元电荷，xp为p层厚度，xi为i层厚度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

下面以一种pin型gan雪崩器件p层载流子浓度的估算，结合附图对本发明的具体实施方法作详细说明，但绝非限制本发明，即本发明绝非限制于该实施例。

图2为本发明所使用的一种在蓝宝石衬底上生长的pin型gan雪崩器件，其中p层厚度为0.2μm，i层为0.1μm，n层为1.8μm。氮化镓相对介电常数为9。gan材料刚好雪崩时临界击穿电场强度为3mv/cm。

应用金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)，长出单层的i层和n层。i层和n层生长条件与器件中对应层的生长条件一致。生长完毕之后，先用丙酮和异丙醇先后75摄氏度水浴加热10分钟，并用去离子水冲洗10遍。接着用盐酸和双氧水1∶1配置的溶液浸泡并再次用去离子水冲洗10遍，吹干。用标准的半导体工艺做上ni/au金属，厚度为15/50nm，并在600℃快速热退火60秒。用霍尔测试设定测试模式，采用电流和磁场换向的对称测量法，多次测量，得到i层和n层载流子浓度分别为3×10¹⁶cm^-3和1×10¹⁸cm^-3。

在暗室测量测量pin器件电流随反向电压变化的情况。逐渐增大反偏电压，如图3所示，可以看到当电压达到76v时，器件电流开始雪崩倍增。电流在对数坐标下呈现一条斜率很高的直线。即临界雪崩击穿电压为76v。为了保护器件，设置了最大电流为0.01a，所以随着电压继续增长，电流最高为0.01a。多次测量雪崩效应仍然存在。

根据泊松方程可以知道电场强度随位置变化的快慢与该位置载流子浓度分布有关。如图4所示大致绘制出刚好雪崩击穿时，电场强度随位置的变化关系e-x图，此时的最大电场强度为3mv/cm。

按照积分的理论，e-x图像围成的面积约为临界反偏电压76v。

零偏时器件本身的内建电势相对于雪崩电压很小，可以忽略。列出来的等式为，

可以计算出p层载流子浓度np为8.83×10¹⁷cm^-3。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。