AlGaN-basierte MSM UV-Fotodetektoren mit hoher Quantenausbeute bei 0 V
Abb. 1: Aufbau eines a-MSM-Fotodetektors, a) Querschnitt der Epitaxiestruktur mit gleichen Elektroden auf der Absorberoberfläche (MSM) mit front- bzw. rückseitigem Bestrahlungsmodus (Pfeile). b) Schematische Draufsicht der Detektorgeometrie des Fotodetektors (o.). Die lichtmikroskopische Vergrößerung (u.) zeigt die ineinandergreifenden Elektrodenkämme mit Pt- bzw. Ni-basierter Metallisierung.
Abb. 2: Spektrale EQE eines a-MSM-Fotodetektors bei 0 V unter front- und rückseitiger Bestrahlung. Insert: lineare Abhängigkeit zwischen Fotostrom und optischer Eingangsleistung bei 240 nm Wellenlänge.
Das AlxGa1-xN-Materialsystem ist attraktiv für die Detektion ultravioletter (UV) Strahlung. Über die vom Al-Anteil x abhängige Bandlücke (3,4 eV bis 6,2 eV) lässt sich die obere Cut-off-Wellenlänge zwischen 365 nm und 200 nm einstellen. Zudem ist das Material sehr beständig gegen UV-Bestrahlung. Der einfache Aufbau (siehe Abb. 1) erfordert einen relativ geringen Aufwand bei der Epitaxie und Prozessierung solcher Bauelemente. Wenn alle Elektroden Schottky-Kontakte bilden, ist jedoch eine Vorspannung nötig, damit ein Fotostrom fließen kann. Weiterhin schatten die Elektroden Teile des AlGaN-Detektors ab, was die Detektionseffizienz (externe Quantenausbeute – EQE) verringert. Es wurden am FBH daher asymmetrische Metall-Halbleiter-Metall (a-MSM)-Fotodetektoren mit veränderter Kontaktmetallisierung entwickelt, die bereits ohne Vorspannung einen Fotostrom liefern. Dazu wird jede zweite Elektrode als Ohm’scher Kontakt ausgeführt, während die andere einen Schottky-Kontakt bildet. Durch ein Schichtdesign, das die Absorption unterhalb der eigentlichen Detektionsschicht vermeidet, wird rückseitige Bestrahlung und damit eine Aufhebung der Abschattungsverluste möglich.
Eine nur 100 nm dünne Al0,5Ga0,5N-Absorberschicht wird mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf einem AlN-Puffer auf Saphir-Substrat aufgebracht (Abb. 1a). Auf dem Absorber werden auf 400 µm x 400 µm Detektorfläche 2 µm breite Elektroden im Abstand von je 2 µm in zueinander koplanarer Kammgeometrie prozessiert (Abb. 1b). Der eine Elektrodenkamm basiert dabei auf Ni, das bei 800°C formiert wird und einen Ohm‘schen Kontakt bildet. Der anschließend aufgebrachte Pt-basierte Elektrodenkamm bildet den Schottky-Kontakt. Durch diese Asymmetrie kann auch ohne Vorspannung ein Fotostrom fließen. Bei rückseitiger Bestrahlung des a-MSM-Detektors ohne Vorspannung ergibt sich eine nahezu konstante EQE von 24 % unterhalb von 250 nm bis ab ca. 210 nm die Absorption in der AlN-Pufferschicht einsetzt (Abb. 2). Der Fotostrom hängt dabei linear von der optischer Eingangsleistung ab (Insert). Die EQE unter frontseitiger Bestrahlung ist wegen der Abschattung in diesem Bereich nur halb so hoch.
Durch das neue Design konnten lineare UV-Fotodetektoren auf AlGaN-Basis mit einer Quantenausbeute von 24% bei 0 V erreicht werden.
Publikation
M. Brendel, M. Helbling, A. Knigge, F. Brunner, M. Weyers, "Solar-blind AlGaN MSM photodetectors with 24 % external quantum efficiency at 0 V", Electron. Lett., DOI: 10.1049/el.2015.2364