中南大学汪炼成教授课题组：三维金属-半导体-金属AlN深紫外探测器

汪炼成，物理电子学博士，中南大学特聘教授，博士生导师，微电子科学与工程系副主任，高性能复杂制造国家重点实验室研究员。博士毕业于中科院半导体研究所, 先后在新加坡南洋理工大学，新加坡科技大学和英国谢菲尔德大学从事博士后研究工作，科研方向为第三代半导体电子/光电子器件和系统集成。

近日，中南大学汪炼成教授（通讯作者）课题组采用MOCVD 在蓝宝石（002）上外延生长了1.5 μm厚的AlN材料，AlN材料相关参数测试为电子浓度1×10¹⁴ cm^-3，电子迁移率135 cm²V^-1s^-1，载流子寿命1×10^-8 s，对应200nm光吸收系数1×10⁵cm^-1，XRD测试结果AlN为002面半高宽0.22度，透过率测试结果显示材料吸收波长在200 nm处急速下降。在材料参数测试完以后，作者对AlN材料进行光刻，形成叉指电极图案，然后采用ICP（ICPPower (W): 450; (RF) / 75, Cl₂: 40 sccm, BCl₃: 5sccmAr₂:5sccm)刻蚀深度分别为0.5 μm、1.0μm和1.3 μm。再采用磁控溅射沉积1.4 μm厚的Ni金属，最后采用丙酮去除光刻胶和多余Ni金属得到3D-MSM器件，并且把刻蚀1.3 μm器件倒装键合在有基板电路的硅衬底上，形成背入射式FC-3DMSM器件。同时，作者也制作了未刻蚀的MSM器件作为对比。器件制作完成后，采用紫外测试系统对器件进行光电特性测试，测试系统包括光学平台、卓立汉光氘灯 (ZOLIX LSDS-30-DZ01, Spectrum: 180-400 nm, Power: 30 W)、 单色仪(Bandpass: 5 nm)，光功率计、屏蔽箱和吉时利4200 SCS参数分析仪。测试结果显示在8V偏压下FC-3DMSM、3D-MSM (0.5 μm)、3D-MSM (1 μm)光电流比未刻蚀MSM器件分别增大78%、52%、48%；在2V偏压下200nm光波长处MSM、3D-MSM(0.5 μm)、FC-3DMSM器件响应度分别为0.0065 A/W、0.008 A/W和0.0096A/W，3D-MSM(0.5 μm)和FC-3DMSM 器件比MSM器件响应度提高23%和47%。

由于吉时利4200 SCS 参数分析仪测试数据最小间隔为8毫秒，无法测得器件的响应时间和迟豫时间。在此基础上，我们技术团队采用APSYS半导体芯片设计软件，对实验中每个器件进行了对应的仿真计算，计算过程中采用与实验测试参数一致的设置，计算结果显示MSM器件响应时间为3.2ns，迟豫时间为5.77 ns。3D-MSM(0.1μm)、3D-MSM(0.2 μm)、3D-MSM(0.5 μm)、FC-3DMSM(1.3 μm)、FC-3DMSM(1.4 μm)器件响应时间分别为2.94 ns、2.91ns、2.61 ns、2.90ns和2.93 ns，迟豫时间分别为5.77 ns、4.2 ns、4.12 ns、2.92ns和2.97 ns。3D-MSM(0.5μm)器件上升时间比MSM器件提升了18.4%，迟豫时间减小了48%。

相关成果以“Three-dimensional metal–semiconductor–metal AlN deep-ultraviolet detector”为题发表于Optics Letters上（Vol. 45, No. 12 / 15June 2020）。

图文介绍：