Epitaxie und Charakterisierung von UV-Photodetektoren auf der Basis des AlGaN-Schichtsystems

Durch die steigende Nachfrage nach Lichtquellen für hohe UV-Intensitäten wie sie für die Wasserdesinfektion oder für die Härtung von Farben und Klebstoffen verwendet werden, entsteht der Bedarf nach einer kontinuierlichen Überwachung durch UV-Photodetektoren. Al(x)Ga(1-x)N-Photodetektoren haben dabei erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Si-basierten Photodetektoren hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der elektrooptischen Leistungseigenschaften. Die spektrale Empfindlich-keit von Al(x)Ga(1-x)N-Photodetektoren kann dabei durch "bandgap engineering" der aktiven Schichten und Integration von Filterschichten angepasst werden. Um die dazu benötigten Al(x)Ga(1-x)N-Schichten mit beliebigem Al-Gehalt epitaxieren zu können, wurde ein AlN-Nukleationsprozess bei 1150°C Prozesstemperatur entwickelt, welcher auf dem Wissen über die Epitaxie von GaN und die Prozessierung von UVA- LEDs basiert. Die AlN- und Al(x)Ga(1-x)N-Schichten wurden dabei mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenepitaxie auf 2 Zoll Saphirsubstraten gewachsen. Die optisch glatten AlN/AlGaN-Zwischen-schichten weisen eine Stufenversetzungsdichte von etwa ~ 5 X10 (9) cm(-2) auf, ohne das ein laterales Überwachsen von Schichtstrukturen oder Multilagenwachstum zur Defektreduktion eingesetzt werden musste. Für die Herstellung der UV-Photodetektoren wurde das epitaktische Wachstum von AlGaN-Schichten für p-i-n-Dioden so abgestimmt, dass sie nur im UV-A- (320 - 365 nm), UV-B- (280 - 320 nm) oder UV-C- (< 280 nm) Spektralbereich empfindlich sind. Zudem sind die elektrischen Eigenschaften von Si- und Mg-dotierten AlGaN-Schichten hinreichend gut, sodass p-i-n- Photodetektoren hergestellt werden konnten, welche sowohl on-Wafer als auch vereinzelt in einer TO18-Halterung charakterisiert wurden. Messungen an Photodetektoren mit integrierter Filterschicht ergaben hohe externe Quanteneffizienzen von 72% im UV-A, 56% im UV-B und 58% im UV-C (ohne Vorspannung). Spannungsabhängige Messungen des Dunkelstroms bei Raumtemperatur im Bereich von +5 V bis +150 V zeigen die hohe Materialqualität der Epitaxieschichten. Dabei wurden sehr gute Dunkel-stromdichten zwischen 12- 211 pA=cm(2) bei einer Sperrspannung von -2 V gemessen, sowie Durchbruchspannungen zwischen 78 V für GaNPhotodetektoren und über 150 V für Al0;58Ga0;42N-Photodetektoren erreicht. Temperaturabhängige IU-Messungen zeigen einen geringen Anstieg des Dunkelstroms bei Temperaturen von bis zu 200 °C, während der spektral aufgelöste Photostrom eine temperaturabhängige Verschiebung der Bandkante aufweist. Um das Ansprechverhalten der pin- Dioden zu vermessen, wurden diese mit Pulsen eines Stickstofffasers (0,5 ns) bei 337 nm Wellenlänge beleuchtet. Dabei zeigten sie eine Anstiegszeit von weniger als 2 ns (limitiert durch die Messapparatur) und eine Abklingzeit von maximal 12 ns. Langzeitstabilitätsmessungen über 1000 Stunden bei Leistungsdichten des UV-C-Anteils von 0,43W/cm(2) zeigen das Potential dieser UV-Photodetektoren für Anwendungen in der Wasseraufbereitung oder dem Aushärtung von Kunststoffen.