UV-C-AlGaN-Photodetektoren mit Kantenwellenlängen unter 220 nm

UV-Strahlung aus UV-Lampen, UV-Leuchtdioden und Excimer-Lasern wird in Bereichen wie der Lithographie, Drucktechnik, Medizin und zur Desinfektion eingesetzt. Bei den meisten dieser Anwendungen ist es notwendig, die Leistung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu überwachen. Wir haben unsere Studien für Photodetektoren weitergeführt, die nur im unteren UV-C-Bereich und im Vakuum-UV (< 200 nm) empfindlich sind und Kantenwellenlängen unter 220 nm aufweisen.

Wie bereits berichtet, zeigen unsere Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Photodetektoren mit Al_~0.5Ga_~0.5N-Absorberschichten nur für Wellenlängen unter 280 nm Photoempfindlichkeit. Diese ist besonderes hoch, wenn defektreduzierte AlN/Saphir-Templates verwendet werden. Mithilfe der Technologie des lateralen epitaktischen Überwachsens (ELO) konnte die Defektdichte reduziert werden. Die Empfindlichkeit von Photodetektoren auf ELO-Templates ist wegen interner Verstärkungsprozesse um bis zu zwei Größenordnungen höher als für Photodetektoren auf planaren Standardtemplates. Eine starke Anisotropie in Abhängigkeit von der Orientierung der Detektorfinger zum Template wurde dabei beobachtet.

Dieser Ansatz wurde auf MSM-Photodetektoren mit AlN- und Al_0.9Ga_0.1N-Absorberschichten übertragen. Die Empfindlichkeitsspektren zeigen eine scharfe Kante mit einem Abfall von mehr als zwei Größenordnungen innerhalb von 10 nm bei 200 nm für AlN und 215 nm für Al_0.9Ga_0.1N (Abb. 1). Bauelemente, deren Finger senkrecht zu den überwachsenen Gräben des Templates orientiert sind (ELO-O), haben bis zu 50 % höhere Empfindlichkeitswerte als Bauelemente, deren Finger parallel zu den Gräben orientiert sind (ELO-P), oder Bauelemente auf planaren Templates. Der absolute Unterschied zwischen den Bauelementen auf unterschiedlichen Templates ist viel geringer als bei den PDs mit Al_~0.5Ga_~0.5N-Absorberschichten. An den Photodetektoren mit x ≥ 0.9 wurde auch kein interner Gewinn nachgewiesen.

Kathodolumineszenz-Untersuchungen zeigen, dass bei der Epitaxie von Al_0.9Ga_0.1N- Schichten auf ELO-Templates das facettierte Wachstum deutlich geringer ausgeprägt ist als bei  Al_~0.5Ga_~0.5N-Schichten. Die entstehenden Banddiskontinuitäten zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Al-Anteilen sind zu klein, um interne Verstärkungsprozesse zu verursachen. Die Anisotropie der Empfindlichkeit der Photodetektoren mit x ≥ 0.9 auf ELO-Template lässt sich auf eine inhomogene Defektverteilung in der Absorberschicht zurückführen. Das panchromatische Kathodolumineszenzbild einer Al_0.9Ga_0.1N-Absorberschicht auf ELO-Template in Aufsicht (Abb. 2) zeigt streifenförmige Gebiete mit reduzierter Defektdichte parallel zu den Templategräben. In diesen kanalartigen Gebieten ist die Rekombinationsrate reduziert und somit der Ladungsträgertransport verlustärmer. Die Empfindlichkeit der ELO-O-Photodetektoren ist dadurch höher als in den ELO-P-Photodetektoren mit Stromfluss senkrecht zu den Kanälen und über die Gebiete mit hoher Defektdichte hinweg. Die Empfindlichkeit der planaren Photodetektoren ist gleich oder noch geringer als die der ELO-P-Photodetektoren, da bei diesen die mittlere Defektdichte höher ist und die Defekte homogen verteilt sind.

Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die Empfindlichkeit von MSM-Photodetektoren mit Kantenwellenlängen unter 220 nm steigern lässt, wenn defektreduzierte Substrate mit Streifenmuster verwendet werden.

Die Arbeiten zu den AlGaN-Photodetektoren wurden im Rahmen des vom BMBF geförderten Regionalen Wachstumskerns Berlin WideBaSe gefördert (03WKBT02C).

Publikationen:

A. Knigge, M. Brendel, F. Brunner, S. Einfeldt, A. Knauer, V. Kueller, U. Zeimer, M. Weyers, "Solar-blind Al_xGa_1-xN MSM Photodetectors on Patterned AlN/Sapphire Templates with 0.4 < x < 1", accepted for publication in Phys. Status Solidi C 2013.

A. Knigge, M. Brendel, F. Brunner, S. Einfeldt, A. Knauer, V. Kueller, U. Zeimer, M. Weyers, "AlGaN Metal–Semiconductor–Metal Photodetectors on Planar and Epitaxial Laterally Overgrown AlN/Sapphire Templates for the Ultraviolet C Spectral Region", Jpn. J. Appl. Phys., vol. 52, no. 08JF03 (2013).

V. Kueller, A. Knauer, U. Zeimer, M. Kneissl, M. Weyers, "Controlled coalescence of MOVPE grown AlN during lateral overgrowth", J. Cryst. Growth, vol. 368, pp. 83-86 (2013).

FBH-Forschung: 06.01.2014