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摘 要

本文首先简述了光敏电阻的工作原理、种类以及半绝缘砷化镓的相关性质,然后着重研究了半绝缘砷化镓欧姆接触电极的制备、结构测量和光电性能分析。 我们采用脉冲激光沉积方法在半绝缘GaAs基片上镀钴掺杂的非碳晶膜.通过拉曼光谱确认了碳的非晶结构。 然后在有无激光照射下（波长为650nm、功率为45mJ/cm-2）测得的I-V曲线图都具有很好的线性和对称关系，证实了非晶碳膜与半绝缘砷化镓之间为欧姆接触，并且半绝缘砷化镓显示出很好的光敏特性，光敏度为320。进一步测试其电阻-时间周期变化关系再次证明了它的光敏电阻特性。关键词：非晶碳膜，脉冲激光沉积，欧姆接触,拉曼光谱，光敏电阻特性

Abstract: In this thesis, we first introduces the principle of photosensitive resistance, type, and related properties of semi-insulated GaAs. Then we focus on the preparation of ohmic contact electrode for semi-insulated GaAs, structural measurement and photoelectric performance analysis. The cobalt doped amorphous carbon films were deposited on semi-insulated GaAs substrate by pulsed laser deposition method. The amorphous structure of carbon films were confirmed by Raman spectroscopy. The measured I-V curves showed linear and symmetric relationship With and without laser irradiation (the wavelength is 650nm, power is 45mJ/cm^-2), which confirmed that it was ohmic contacted between semi-insulated GaAs and amorphous carbon film, and the semi-insulated GaAs had very good photosensitive properties with the photosensitive degree 320. Further testing the resistance-time changes once again proved its characteristic of photosensitive resistance.

Keywords: Amorphous carbon film, pulsed laser deposition, ohmic contaction, Raman spectra, photosensitive resistance properties

目 录

1. 绪论 4

1.1 光敏电阻 4

1.2 半绝缘砷化镓 4

1.3 半绝缘砷化镓的欧姆接触工艺 5

1.4 本章小结 6

2 欧姆接触电极的制备方法及制备过程 6

2.1 脉冲激光沉积概念与机制 6

2.2 欧姆接触电极的制备 7

3 实验结果及分析 7

4 半绝缘砷化镓的应用 10

4.1 GaAs 太阳电池 10

4.2 GaAs光导开关 11

参考文献 14

致 谢 15

1. 绪论

1.1 光敏电阻

光敏电阻^[1]（photocell，）又称光导管（photoconductor）或光敏电阻器（photoresistor or light-dependent resistor，ldr）。常用的材料有硫化镉、硫化铝、硫化硒、铋材料和硫化铅等材料。这些材料的制备原理是根据在光的特定波长照射，耐光性急剧下降。这是因为所产生的光载流子都参与了导电性，主要是由于外部电场漂移运动的影响，电子的流动的动力的阳性，阴性和孔潮流电功率，所以宏性能敏感的电阻值迅速下降。光电效应是光的作用下而产生电子释放的现象。光电效应分为内光电效应和外光电效应。入射光子使材料的表面吸收产生发射的电子，这种效应被称为光电效应或外部光电效应的影响。光激发载流子保留在晶体内部被称为内部光电效应。它可分为光电导效应和光电效应。一些在非常暗的环境阻力很大的半导体材料，一旦有光照时，如果光子的能量很大，则在价带中的电子的能量吸收光子将过渡到导带中，从结合的状态到自由状态时，被激发的半导体载流子浓度空穴对增加了，其电阻变小,从而提高了导电性。光照射越强，电阻值下越多，一旦光照停止时，自由电子和空穴逐渐复原，电阻又恢复到原来的值，这就是光导效应。按照这个原理，制作所述装置,我们称之为光敏电阻。光敏电阻，不分两极，使用时在电阻的两端加上一个直流或交流偏压即可。当电阻被强光照射时,呈现的电阻称为光电阻,流经的电流称为光电流；反之,无光照或光照很暗时,称为暗电阻,流经的电流称为暗电流。如果光电流越大，灵敏度越高。市面上的光敏电阻种类繁多，通过光谱特性可分为：（1）紫外线敏感电阻器：对紫外线更加敏感，如硫化镉、硒化镉光敏电阻等，用于检测紫外光；（2）红外敏感电阻器：有硫化铅、硒化铅、碲化铅。光敏电阻被广泛用于非接触式测量，天文探测，导弹制导，人类疾病的检测，红外光谱，通信和其他科学和工农业生产； （3）可视光相关电阻器：包括硒、硒化镉、硫化镉镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯，路灯等照明系统的自动亮灭，自动停水，自动保护装置和机器的“位置检测器”，用于检测薄件，照相机的自动曝光装置的厚度，光敏电阻烟雾报警器，光电计数，光电跟踪系统等。我们可以发现,其在生活，学习，军事等领域的应用非常广泛。

1.2 半绝缘砷化镓

砷化镓^[2]（ GaAs）是一种Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，具有闪锌矿的晶状结构。晶格常数为5.65×10^-10m，熔点为1237℃，禁带宽度为1.42电子伏。它可以制备电阻率比硅、锗在半绝缘性的高电阻材料，广泛应用于集成电路衬底，红外探测器。γ光子探测器的轮廓上述三个数量级，由于其电子迁移率比硅5〜6倍，这在微波器件和高速数字电路也具有重要的应用较大；半导体器件用作砷化镓材料，具有高频、高温、低温性能好、噪音低、抗辐射能力强等特点。此外，砷化镓电路也可以在移动电话、卫星通信、微波点到点连接、雷达测试系统和其他地方使用；Ge（锗）和磷化铟镓（铟镓磷酸盐）三种材料制成的三结太阳能电池，其转换效率可高达32％。不仅如此，在高速数字，模拟电路和光电器件GaAs领域,砷化镓器件已被广泛使用于MBE， MOCVD等^[3]的新技术的设备。而HBT ,HEMT^[4]新的砷化镓材料生长技术发展奠定了基础，亚微米工艺技术也可以使器件的截止频率提高到毫米波频带，但由于寄生参数^[5] ，这大大限制了器件性能的提高，特别是在微波、毫米波波段。因此，减少寄生效应成为一个重要措施的设备设计。此外，当装置的尺寸被减小到深亚微米，欧姆接触的均匀性、稳定性将受到影响，因为接触结构将导致非均匀电流密度的非均匀性，从而导致可靠性问题。因此，提高了设计和生产过程中的设备的特性和可靠性，成为该设备的关键工艺之一。

1.3 半绝缘砷化镓的欧姆接触工艺

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。欧姆接触被广泛应用于金属加工，实现的主要措施:在半导体表面层进行高掺杂或引入大量高复合中心。欧姆接触装置，它不产生显著额外阻抗，而且不会使半导体内部载流子浓度平衡发生显著变化。以形成良好的欧姆接触，还有两个先决条件：

1. 金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)
2. 半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12cm^-3)

早在现有技术中，n型砷化镓^[6]使用的AuGe共晶合金电极，其工艺是在真空蒸镀后，再高温退火以实现共晶化。在这个过程中, 金是容易起球造成不均匀的电极体，甚至造成电极脱落。因此，为了解决这个问题，业内研究人员发现，在共晶的过程中加入了镍从而可金避免起毛起球。 在再后来的工艺改进中又加入氮化钨（WN）作为防扩散层，最后再蒸镀Au形成欧姆接触电极。这个过程的欧姆接触是最成熟的和最常见的用途。但是，当器件工作在高温或高功率状态下，该合金系统经常发生横向和纵向扩散，形成尖峰，相貌不平整，而基片的相互扩散导致增加的接触电阻的欧姆接触特性的严重退化。因此，传统的AuGeNi /砷化镓欧姆接触已越来越不能满足GaAs器件和电路的性能和可靠性的要求。随着研究越来越多的关注熔金属合金系统GaAs接触。 Murakami等有耐火欧姆接触金属，因为在高温下的GaAs衬底和难熔金属，以形成在所述金属层与金属层的总体生长的欧姆特性这可以很好地控制在形态超高温合金界面层的难熔金属，这些原因导致难熔金属未能广泛地被应用在GaAs化合物半导体的欧姆接触中。 近年来,国内张万荣等人也进行了相关领域的研究。

1.4 本章小结

半绝缘GaAs作为一种新兴的光敏电阻材料，在很多方面体现出它独特的性能，也是研究领域的重大发现。不过材料的制备对我们也是一种挑战。好在，现有的技术已经趋于成熟，将由下一章具体阐述。

2 欧姆接触电极的制备方法及制备过程

2.1 脉冲激光沉积概念与机制

脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被称为脉冲激光烧蚀^[7]（pulsed laser ablation，PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。

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