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1、 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)導彈預警，臭氧空洞監測等需求的提出，日盲紫外光電探測器件的研發(fā)越來(lái)越重要，鑒于硅材料的局限性，常用的硅基光電探測器難以滿(mǎn)足日盲紫外光電探測的要求，基于寬禁帶半導體材料的日盲紫外光電探測器成為了新的研究熱點(diǎn)。與AlGaN，MgZnO等寬禁帶半導體相比，β-Ga2O3的禁帶寬度高達4.9eV，無(wú)需合金處理就可滿(mǎn)足日盲紫外光電探測的技術(shù)要求，不僅可以采用熔體法制備出高質(zhì)量，大尺寸單晶，而且還具有較高的遷移率，較高的擊穿電場(chǎng)，良好的熱穩定性和化學(xué)穩定性，成為近年來(lái)興起的重要新興寬禁帶半導體，不僅是功率半導體器件研制的重要候選材料，也將在日盲紫外探測領(lǐng)域具有重要應用前景。

光電材料（太陽(yáng)能電池）光譜響應測試，或稱(chēng)量子效率QE（Quantum Efficiency）測試，或光電轉化效率IPCE (Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency) 測試等，廣義來(lái)說(shuō)，就是測量光電材料的光電特性在不同波長(cháng)光照條件下的數值，所謂光電特性包括：光生電流、光導等。本系統可對小面積探測器或者太陽(yáng)能電池進(jìn)行光譜響應，外量子效率等參數進(jìn)行測試。同時(shí)也能測量探測器或者太陽(yáng)能電池響應不均勻性。本裝置還可以測量太陽(yáng)能電池的表面鏡反射比，并計算太陽(yáng)能電池的內量子效率。

Fig.1測量原理示意圖。在探測器或者太陽(yáng)能電池分別照射恒定偏置輻射和波長(cháng)為λ單色交變輻射，太陽(yáng)能電池接收到這兩束輻射后，產(chǎn)生的光電流同時(shí)包含直流分量I_td和交流分量I_ta(λ)，用數字電壓表和鎖相放大器分別測量這兩個(gè)分量。在測量被測太陽(yáng)電池前，用類(lèi)似的方法，用同樣光路已經(jīng)測量了標準太陽(yáng)能電池的光電流I_sd和I_sa(λ)，標準太陽(yáng)電池的短路電流I_sc(AMx)和響應度R_s（λ）是已知的，因此可以得到偏置光：

和響應度：

注意：這里的電流都是扣除了暗電流。

圖 1 測量原理示意圖

相對光譜響應度R_r(λ)為在某以波長(cháng)λ_MAX，通常為峰值波長(cháng)，歸一化。

在被測太陽(yáng)電池測量光譜響應的同時(shí)，用光電二極管測量太陽(yáng)能電池的表面反射的光電流I_tf(λ)，同樣在測量前，已經(jīng)測量了已知反射率的ρ_s(λ)的標準反射板的反射光電I_sf(λ)，因此，其光譜反射率ρ_t(λ)為：

根據已經(jīng)得到的光譜響應度和表面反射率得到太陽(yáng)電池的內量子效率：

這里λ的單位為：µ_m，R_t(λ)的單位A/W。

2、 實(shí)驗方案及分析

實(shí)驗方案：

實(shí)驗設備采用的是我公司“DSR600-3110-DUV”探測器光譜響應度標定系統，

圖2.1“DSR600-3110-DUV”紫外探測器光譜響應度標定系統

該系統使用激光驅動(dòng)的紫外增強氙燈光源。與常規氙燈想比較，該系統使用的氙燈在200-300nm光強度增強約2-5倍，主要應用于日盲探測器的測試。

圖2.2激光驅動(dòng)的紫外增強氙燈光源與常規氙燈光源能量對比

實(shí)驗分析：

3.1 Ga₂O₃樣品深紫外光譜響應度分析

圖3.1樣品在0.1s，0.5s，1s，5s延時(shí)下的信號曲線(xiàn)

圖3.2樣品在0.1s，0.5s，1s，5s延時(shí)下的信號曲線(xiàn)

圖3.1和3.2顯示了樣品在不同延時(shí)下信號波長(cháng)的關(guān)系。發(fā)現峰值波長(cháng)為 240nm (5.17 eV)，而帶邊是根據曲線(xiàn)導數值在 275nm (4.51 eV)。分別在 0.1 s 和 5s 的延時(shí)時(shí)間下測得的峰值響應度值分別為 0.19A/W 和 0.3 A/W，說(shuō)明樣品的響應時(shí)間很慢，因此針對此類(lèi)樣品的測試需要測試其響應時(shí)間。

圖3.3 樣品的在240nm光照射下的IT曲線(xiàn)

圖3.3顯示了樣品的響應時(shí)間非常長(cháng)，50s左右才接近峰值。在測試過(guò)程中通過(guò)多次測試發(fā)現每次測試數據有差別，分析應該是時(shí)間原因影響樣品信號強度，從而進(jìn)行IT掃描，得到樣品的響應時(shí)間，以方便用于指導光譜響應度測試。

3.2金剛石/Ga₂O₃異質(zhì)結器件測試分析

圖3.4 樣品在320nm光照射下的IT曲線(xiàn)

從3.4圖可以發(fā)現，器件在不同偏壓下有效信號（信號值減去噪音值）偏壓越大，有效信號越強。因此后面的測試樣品都是在5V偏壓（理論的擊穿電壓）下進(jìn)行。通過(guò)數據分析得到樣品的上升時(shí)間約5s。為了保證上升時(shí)間充分測試了10s延時(shí)，5V偏壓情況下的信號曲線(xiàn)。

圖3.5 器件的在5V偏壓下，10s延時(shí)的信號曲線(xiàn)以及暗噪聲曲線(xiàn)

圖3.6 硅探測器信號值

從3.5和3.6圖可以發(fā)現，金剛石/Ga₂O₃異質(zhì)結器件的峰值波長(cháng)是320nm，在320nm器件的信號強度（0.461mA）是硅探測器（1.15uA）的信號強度的400倍。3.5圖顯示器件的暗電流比較大，且不同時(shí)間段暗電流大小會(huì )有區別，所以扣除暗電流會(huì )不太準確。

3、 結論  

DSR600系列光譜響應度測試系統，可以對樣品的光譜響應度和量子效率進(jìn)行定量分析。上述測試實(shí)驗在測試過(guò)程中不僅可以加偏壓，還可以改變延遲時(shí)間來(lái)測試器件的性能，在不同條件下器件性能會(huì )有所不同，通過(guò)實(shí)驗結論去驗證理論分析，不斷改善器件工藝，使得器件向實(shí)際需要的方向發(fā)展。DSR600-3110-DUV系統在200-300nm有較強的光強，是針對日盲器件測試的*。

4、 參考文獻

[1] Yaxuan Liu，Lulu Du ，Guangda Liang， Wenxiang Mu， Ga2O3 Field-Effect-Transistor-Based Solar-Blind Photodetector With Fast Response and High Photo-to-Dark Current Ratio，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，2018，39，1696-1699

[2] 陳彥成 基于氧化鎵單晶的日盲紫外探測器特性研究，鄭州大學(xué)，碩士學(xué)位論文