Ⅲ-N半导体光电探测器的载流子输运和材料生长研究

发布时间：2018-05-01 21:11

  本文选题：量子阱探测器 + 半面进气MOCVD技术　； 参考：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：基于Ⅲ-N化合物材料的光电探测器在光通信、烟雾报警、生物化学物质检测等方面有着广泛的应用潜力。近年来,Ⅲ-N化合物光电探测器取得了巨大的发展,但也还面临着许多问题。到目前为止,基于AlGaN的紫外探测器还无法实现商业化,主要原因之一是很难获得高质量的高Al组分材料,因而限制了器件性能的进一步提高。本论文以探索提高Ⅲ-N化合物光电探测器性能的方法为出发点:一方面,以现有材料为基础,从探测器光电转换的基本物理过程入手,研究了P-i-N量子阱结构在共振激发模式下的光吸收及载流子输运问题,为量子阱探测器提供了理论依据;另一方面,从改善材料的晶体质量入手,提出一种半面进气(spatial separated source delivery:SSSD)生长模式,用以获得高质量的高Al组分材料,为AlGaN探测器性能的提高提供了材料上的保障。本工作的主要内容分为以下两个方面:1)P-N结量子阱中载流子输运性质的研究。将量子阱引入P-i-N结构之中,并与N-i-N结构进行对比,研究了在共振激发模式下P-i-N量子阱中载流子的输运问题。研究表明:即使入射光子能量小于量子垒带隙宽度,P-iN结构在短接或反向偏压下,量子阱中产生的光生载流子大部分从阱中逃逸,而不是弛豫到基态进行复合发光。而对N-i-N结构施加偏压,却只能使少部分光生载流子从阱中逃逸,达不到与P-i-N短接相类似的效果。同时,计算表明P-i-N结构中量子阱材料的光吸收也得到了加强。因而,P-N结在载流子从量子阱逃逸的过程中起到了一种特殊的作用,加强了光的吸收和载流子的提取作用。这为将量子阱应用于P-i-N型探测器中来提高器件性能提供了理论基础。2)针对传统进气模式在制备AlGaN材料上遇到的问题,提出一种半面进气模式。通过对反应室流量法兰和源输运管路的精心设计,使得不同反应源在反应室中空间分离。该进气模式可以减少不同反应源在气相中的接触,使得气相反应从传统进气模式中的混合反应转变为气相中的热分解反应和固相界面的合成反应,从而有效的抑制了预反应的发生。通过系统地研究半面进气模式对AlGaN材料体系生长的影响后发现:对于Ga N的生长,半面进气模式可以提高其生长速率和源的利用率;而对于AlGaN材料来说,半面进气模式不仅可以改善材料的晶体质量,还能大幅提高材料中的Al组分。最后,通过优化生长参数,获得了电学均匀性良好、高质量的高Al组分材料。这为AlGaN探测器性能的提高,提供了材料上的保障。
[Abstract]:The photodetectors based on 鈪，

本文编号：1831058