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AlGaN-basierte Avalanche Photodioden für den UV-C Spektralbereich

 
: Watschke, Lars
: Ambacher, Oliver; Wöllenstein, Jürgen

Freiburg/Brsg., 2019, VII, 141 S., XXV
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2019
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Der UV-C-Spektralbereich bietet für die fehlerfreie Detektion geringer Lichtintensitäten entscheidende Vorzüge. Das Ozon der Erdatmosphäre absorbiert effizient Licht mit einer Wellenlänge von ʎ≤ 280nm, das von der Sonne auf die Erde einfällt. Dadurch bedingt ermöglicht dieser Spektralbereich die Detektion schwacher künstlicher Lichtquellen ohne Überlagerung des Signals durch natürliche Hintergrundstrahlung. Detektoren, deren spektrale Sensitivität im UV-C-Wellenlängenbereich liegt, sind hinsichtlich der auflösbaren Photonenflüssen lediglich durch das Eigenrauschen und die Effizienz der Umwandlung von einfallender optischer Leistung in ein elektrisches Signal limitiert. Die Anforderungen an einen hinsichtlich dieser Fragestellung geeigneten Detektor bestehen folglich in einer auf den UV-C-Spektralbereich begrenzten spektralen Sensitivität, einer hohen Responsivität und einem geringen Dunkelstrom. Aluminium-Gallium-Nitrid-basierte Photodioden gewährleisten aufgrund der zugänglichen Bandlückenenergien von EGap = 3.42 ... 6.02 eV Absorption im UV-C-Spektralbereich und ermöglichen über Band-zu-Band-Absorption die erforderliche spektrale Sensitivität im Betrieb ohne Vorspannung. Gleichsam lässt die Bandlückenenergie geringe Dunkelströme erwarten. Um die Limitation der internen Quanteneffizienz einer Photodiode auf Werte ɲint ≤ 1 zu überschreiten, können interne Stoßionisationsprozesse bei hohen Feldstärken ausgenutzt werden, sodass der Detektor als Avalanche-Photodiode betrieben wird. Aus dieser Motivation wurden Detektoren auf AlxGa1−xN-Basis mit xAl 0.60 in p-insowie Schottky-Struktur epitaxiert und in Mesadioden prozessiert. Die Epitaxie wurde auf Saphir-Substrat mit einem einstufigen, NH3-modulierten Verfahren für die AlN-Nukleation bei T = 1170 °C durchgeführt. Der Einfluss der Substratqualität wurde durch die Verwendung von AlN-Substraten und AlN/Saphir-Pseudosubstraten untersucht, die jeweils eine verbesserte Kristallqualität gegenüber der Epitaxie auf Saphir-Substrat aufweisen. Dabei wurde hinsichtlich des Durchbruchsverhaltens bis zu Sperrspannungen von U = 200V ein spontanes Durchbrechen auf Saphir-Substrat gefunden. Auf AlN-Substrat dagegen gehen die I-U-Kennlinien in vor dem Durchbruch ein überexponentielles Verhalten über. Die Verwendung der Substrate mit verringerten Versetzungsdichten resultierte in einem Volumendunkelstrom unterhalb von O(0.1 pA) bei Mesadioden des Durchmessers Ø = 200, μm im untersuchten Spannungsbereich vor Einsatz des Durchbruchs. Das Design der Detektoren wurden auf hohe Feldstärken in der Verstärkungszone ausgelegt, wodurch bei rückseitiger Beleuchtung eine geringe externe Quanteneffizienzen von ɲext ≤ 17.7% erzielt wurden. Es konnte eine interne Verstärkung im Bereich von O(103 ... 105) demonstriert werden. Der höchste Wert der internen Verstärkung konnte auf AlN/Saphir-Pseudosubstrat nachgewiesen werden, mit einem Verhältnis aus intern verstärktem Photostromsignal zu Dunkelstrom von über 105. Ebenfalls wurde auf den Einfluss hoher Feldstärken auf die spektrale Sensitivität der Detektoren aufgrund von Elektroabsorption untersucht. Im Ergebnis zeigen die Proben bei diesen Feldstärken eine starke Unterdrückung in der Band-zu-Band-Absorption gegenüber Licht mit Photonenenergien unterhalb der Bandlückenenergie der Detektoren. Die Unterdrückung wird allerdings von tiefen Störstellen des Materials beeinträchtigt, weshalb eine endgültige Bewertung der physikalischen Begrenzung in der spektralen Sensitivität durch den Franz-Keldysh-Effekt nicht gegeben wird. UV-C-Detektoren mit Schottky-Kontakt wurden auf AlN-Substrat hergestellt und charakterisiert. Der Idealitätsfaktor beträgt n = 1.26(1) mit einer Schottky-Barrieren-Höhe von ΦB = 2.37(1) eV nahe dem theoretischen Maximum. Hierbei konnte eine interne Verstärkung von O(104) bei Sperrspannungen von U = 60V demonstriert werden. Eine temperaturabhängige Untersuchung des Dunkelstroms zeigt einen Dunkelstrommechanismus mit geringer Temperaturabhängigkeit gegenüber dem effizienter werdenden Stoßionisationsprozess.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-562075.html