4H-SiC紫外单光子雪崩光电探测器的制备与表征

发布时间：2018-11-08 13:25

【摘要】：4H-SiC紫外雪崩光电探测器(APD)因其具有探测极其微弱甚至是单光子紫外信号的能力而在世界范围内引起了研究人员的广泛兴趣。这一类器件在诸如紫外天文观测、高压电晕检测、环境监测、紫外激光雷达、生物检测以及战机或导弹尾焰检测这些领域都有重要的潜在应用价值。和传统的诸如光电倍增管(PMTs)这一类真空紫外探测器件相比,4H-SiC APD器件具有诸多明显的优势。4H-SiC APD的体积更小、成本更低、系统集成更容易以及潜在的探测效率更高。除此之外,半导体类型的APD器件通常比真空类型的PMTs器件使用寿命更长以及操作电压更低。同时,与Ⅲ族氮化物半导体制成的紫外探测器相比,4H-SiC探测器也有其独特优势,目前4H-SiC半导体外延材料的缺陷密度要比GaN等Ⅲ族氮化物低很多,而材料外延质量对于APD器件的制备来说是至关重要的。目前已经报道的诸多4H-SiC APD器件在暗电流、雪崩增益以及器件可靠性等方面性能优异,呈现出良好的发展前景。在本文的工作中,基于部分槽隔离结构的4H-SiC倾斜台面紫外APD器件被成功的设计并制备;直径在75微米到1000微米的多种不同尺寸APD器件被成功的制备并就器件性能进行了详细的对比研究;最后具有50像素点的4H-SiC APD线性阵列被成功制备并经过测试表征首次报道了其所有像素都能够正常工作在盖革模式以及进行单光子计数。具体的实验结果如下:1.基于部分槽隔离结构的4H-SiC倾斜台面APD器件被成功制备,通过采用部分槽隔离结构,在器件直径为150微米时,APD器件的占空比从传统完全隔离结构的33.9%提高到了 63.5%。并且在相同的紫外光照条件下,部分槽隔离APD器件的光电流呈现出了和占空比提升相对应的等比例提高。通过Ⅰ-Ⅴ、光谱响应以及单光子探测性能的详细对比表征,证实了部分槽隔离APD器件在显著提升器件占空比的同时其各方面器件性能相较于传统的完全隔离器件并无降低。实验中制备的部分槽隔离器件展现出了优异的器件性能,其在270nm处达到了 66.4%的最大外量子效率;280nm紫外光照条件下的单光子探测效率为9.5%,相应的暗计数则为1 Hz/μm2。2.器件直径为75微米至1000微米的多种不同尺寸APD器件被成功的制备;接下来对不同尺寸APD器件的Ⅰ-Ⅴ、光谱响应以及单光子探测性能进行了对比表征分析;实验中成功制得了直径达1000微米的大尺寸APD器件,尽管它的反向漏电相较于小尺寸器件有明显的抬升,但是其仍然能正常的发生雪崩击穿,最大雪崩增益也能够达到105以上。3.一个具有50像素点并且能够正常工作于盖革模式的4H-SiC紫外APD线性阵列被首次成功的制备。尽管有少部分的像素点在临近雪崩击穿电压时存在过早额外漏电流,该线性阵列中的50个像素点全部都能在盖革模式下进行单光子计数。通过对测得实验数据进行分析认为少部分器件中存在的过早额外漏电很有可能是由于外延结构中的材料缺陷导致的,这种缺陷漏电在单光子计数性能测试时还会贡献暗计数致使器件的盖革计数性能降低。对于实验所制备线性阵列中的典型低漏电APD器件,其室温条件下在280nm处的单光子探测效率为9.7%,对应的暗计数为5.8 Hz/μm2。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN23

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本文编号：2318633