[发明专利]一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法

说明书

本发明公开了一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，本发明利用质子束作为辐照源，采用两种不同能量和注量的质子束，先后辐照GaN光电导开关器件，以此获得超快响应特性。制作的GaN光电导开关包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层、GaN高温缓冲层、i‑GaN层和n‑GaN层，在n‑GaN层上引出Ni/Cr/Au金属电极。本发明采用的质子辐照条件为：质子注量为：1×10¹¹～9×10¹⁸/cm²；质子能量为：0.5～10MeV。利用该方法可以明显改善和提高光电导器件的响应特性，制备超快响应照GaN光电导开关器件，可应用于超快光电子学和大功率电磁脉冲产生等领域，具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于超快光电探测领域，涉及一种光电导型GaN半导体光电导开关(PCSS)。

背景技术

GaN、SiC和金刚石等宽禁带半导体材料具有优异的耐高压特性，尤其是GaN光电导开关很适合应用于高电压、大功率光电转换系统。更为重要的是，作为直接带隙的GaN除了拥有和GaAs相当的亚皮秒响应速度外，还具有高电子饱和速率(2.5×10⁷cm/s)、高热导率(1.3W/cm K)的特点，并且具有更高的击穿场强(3.5x10⁶V/cm)和良好的线性工作模式，使其在制备高可靠性、快速响应、大功率固态光电开关方面，具有非常重要的研究价值和应用前景。

光电导开关的关键性能要求是：耐高压和超快光电响应。一方面，在尽可能高的偏压下，实现器件的暗态高电阻和开态低电阻，提高开关比；另一方面，提高时间响应速度，尤其是减少下降时间、缩短半高宽。要实现这两个目的，最直接有效的方法就是在GaN中引入深能级缺陷，成为有效载流子陷阱，光生载流子复合寿命变短，实现对载流子的快速俘获和释放。关态时，大量的背景载流子被陷阱俘获，实现高电阻率；而开态时，电阻率的降低主要由光照时，从深能级陷阱释放出的光生载流子数目决定。这些深能级缺陷由于浓度分布、能级位置以及电离能的不同，对暗态俘获、开态释放载流子的影响非常关键。

目前对GaN PCSS的研究，主要采用两种方法：一是，低温、低压法，在生长GaN时会产生少量深能级缺陷。但这种方法引入的缺陷数目非常有限，浓度分布的可控性较差，电阻率很难有较大提高。二是，利用Fe原子掺杂法，获得高电阻率的半绝缘GaN。

然而，Fe杂质掺杂也会存在以下问题：1)Fe原子在GaN中的固溶度仅为0.4％，Fe掺杂浓度增大时，很容易生成Fe单晶团簇，也易于和N结合生成Fe-N纳米团簇(如Fe³N)，薄膜质量下降，表面粗糙，晶体取向变差。载流子散射截面增大，导致迁移率下降严重，器件开态电流低；2)进入晶格的Fe原子，会替代Ga原子位置或填充原有的Ga空位，作为Fe3+深受主缺陷，先俘获电子后成为Fe²⁺态，再俘获空穴。而Fe掺入越多，又会引入更多的起受主作用的刃位错，与Fe³⁺之间会产生自补偿效应；并且随Fe掺入越多作用越明显，导致GaN电阻率增大程度受限。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种利用质子辐照制备超快响应GaN光电导开关的方法，该方法利用质子束作为辐照源，可以明显改善和提高光电导器件的响应特性，其作用在于：一方面，可以在GaN禁带中引入深能级缺陷，使费米能级向禁带中心漂移，多数载流子减少，降低材料的电导率，产生载流子去除效应，且减少量随辐射注量的增加而增加；另一方面，辐射缺陷还会对少数载流子寿命产生很大的影响，作为复合中心，降低少数载流子寿命。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明的一种超快响应GaN光电导开关，包括蓝宝石衬底和GaN层，所述GaN层包括AlN成核层、GaN高温缓冲层、i-GaN层和n-GaN层，在n-GaN层上引出Ni/Cr/Au金属电极。