氧化镓日盲探测器的光电特性测试方法研究

引言

近年来，随着导 弹预警，臭氧空洞监测等需求的提出，日盲紫外光电探测器件的研发越来越重要，鉴于硅材料的局限性，常用的硅基光电探测器难以满足日盲紫外光电探测的要求，基于宽禁带半导体材料的日盲紫外光电探测器成为了新的研究热点。与AlGaN，MgZnO等宽禁带半导体相比，β-Ga2O3的禁带宽度高达4.9eV，无需合金处理就可满足日盲紫外光电探测的技术要求，不仅可以采用熔体法制备出高质量，大尺寸单晶，而且还具有较高的迁移率，较高的击穿电场，良好的热稳定性和化学稳定性，成为近年来兴起的重要新兴宽禁带半导体，不仅是功率半导体器件研制的重要候选材料，也将在日盲紫外探测领域具有重要应用前景。

光电材料（太阳能电池）光谱响应测试，或称量子效率QE（Quantum Efficiency）测试，或光电转化效率IPCE (Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency) 测试等，广义来说，就是测量光电材料的光电特性在不同波长光照条件下的数值，所谓光电特性包括：光生电流、光导等。本系统可对小面积探测器或者太阳能电池进行光谱响应，外量子效率等参数进行测试。同时也能测量探测器或者太阳能电池响应不均匀性。本装置还可以测量太阳能电池的表面镜反射比，并计算太阳能电池的内量子效率。

Fig.1测量原理示意图。在探测器或者太阳能电池分别照射恒定偏置辐射和波长为λ单色交变辐射，太阳能电池接收到这两束辐射后，产生的光电流同时包含直流分量Itd和交流分量Ita(λ)，用数字电压表和锁相放大器分别测量这两个分量。在测量被测太阳电池前，用类似的方法，用同样光路已经测量了标准太阳能电池的光电流Isd和Isa(λ)，标准太阳电池的短路电流Isc(AMx)和响应度Rs（λ）是已知的，因此可以得到偏置光：

和响应度：

注意：这里的电流都是扣除了暗电流。

图 1 测量原理示意图

相对光谱响应度Rr(λ)为在某以波长λMAX，通常为峰值波长，归一化。

在被测太阳电池测量光谱响应的同时，用光电二极管测量太阳能电池的表面反射的光电流Itf(λ)，同样在测量前，已经测量了已知反射率的ρs(λ)的标准反射板的反射光电Isf(λ)，因此，其光谱反射率ρt(λ)为：

根据已经得到的光谱响应度和表面反射率得到太阳电池的内量子效率：

这里λ的单位为：µm，Rt(λ)的单位A/W。

实验方案及分析

实验方案：

实验设备采用的是我公司“DSR600-3110-DUV”探测器光谱响应度标定系统，

图2.1“DSR600-3110-DUV”紫外探测器光谱响应度标定系统

该系统使用激光驱动的紫外增强氙灯光源。与常规氙灯想比较，该系统使用的氙灯在200-300nm光强度增强约2-5倍，主要应用于日盲探测器的测试。

图2.2激光驱动的紫外增强氙灯光源与常规氙灯光源能量对比

实验分析：

3.1 Ga2O3样品深紫外光谱响应度分析

图3.1样品在0.1s，0.5s，1s，5s延时下的信号曲线

图3.2样品在0.1s，0.5s，1s，5s延时下的信号曲线

图3.1和3.2显示了样品在不同延时下信号波长的关系。发现峰值波长为 240nm (5.17 eV)，而带边是根据曲线导数值在 275nm (4.51 eV)。分别在 0.1 s 和 5s 的延时时间下测得的峰值响应度值分别为 0.19A/W 和 0.3 A/W，说明样品的响应时间很慢，因此针对此类样品的测试需要测试其响应时间。

图3.3 样品的在240nm光照射下的IT曲线

图3.3显示了样品的响应时间非常长，50s左右才接近峰值。在测试过程中通过多次测试发现每次测试数据有差别，分析应该是时间原因影响样品信号强度，从而进行IT扫描，得到样品的响应时间，以方便用于指导光谱响应度测试。

3.2金刚石/Ga2O3异质结器件测试分析

图3.4 样品在320nm光照射下的IT曲线

从3.4图可以发现，器件在不同偏压下有效信号（信号值减去噪音值）偏压越大，有效信号越强。因此后面的测试样品都是在5V偏压（理论的击穿电压）下进行。通过数据分析得到样品的上升时间约5s。为了保证上升时间充分测试了10s延时，5V偏压情况下的信号曲线。

图3.5 器件的在5V偏压下，10s延时的信号曲线以及暗噪声曲线

图3.6 硅探测器信号值

从3.5和3.6图可以发现，金刚石/Ga2O3异质结器件的峰值波长是320nm，在320nm器件的信号强度（0.461mA）是硅探测器（1.15uA）的信号强度的400倍。3.5图显示器件的暗电流比较大，且不同时间段暗电流大小会有区别，所以扣除暗电流会不太准确。

在我们软件中有设置关闭快门的按钮，所以这种响应比较慢器件的测试需要客户跟进器件的性质，放置样品后等待一段时间，等待过程中可以看到暗噪声的变化，等暗噪声值稳定后再点击“确定”按钮开始采集数据。且我们的软件上还有延迟时间自主设置功能，等待时间和延迟时间的自主设置有助于测试这种响应时间比较慢的样品。通过上述软件的操作可以测试到如下图的光谱响应度曲线。

结论  

DSR600系列光谱响应度测试系统，可以对样品的光谱响应度和量子效率进行定量分析。上述测试实验在测试过程中不仅可以加偏压，还可以改变延迟时间来测试器件的性能，在不同条件下器件性能会有所不同，通过实验结论去验证理论分析，不断改善器件工艺，使得器件向实际需要的方向发展。DSR600-3110-DUV系统在200-300nm有较强的光强，是针对日盲器件测试的Z 佳选择。

参考文献

[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] 陈彦成 基于氧化镓单晶的日盲紫外探测器特性研究，郑州大学，硕士学位论文