AlGaN材料类同质外延生长及日盲紫外探测器研究

发布时间：2020-03-22 11:34

【摘要】：AlGaN材料是一种直接宽禁带半导体材料,其禁带宽度在6.2eV至3.4eV之间连续可调,是制备工作波长在210nm至365nm之间的紫外光电子器件的理想材料。基于AlGaN材料的日盲紫外探测器具有本征探测、波长可调、体积小、抗辐射、工作电压低等诸多优势,在诸多领域具有重要应用价值。然而,目前AlGaN基日盲紫外探测器性能还远未达到实际应用水平,这主要是因为异质外延中的晶格失配与热失配造成AlGaN材料质量的低下。此外,AlGaN基日盲紫外探测器的结构还有待优化。本论文围绕如何提高AlGaN材料质量及探测器性能展开研究。针对异质外延下AlGaN材料质量低下的问题,提出采用类同质外延的方法生长AlN和AlGaN材料,从而提高材料质量;针对AlGaN日盲紫外探测器性能低下的问题,提出利用极化效应提升探测器内量子效率,从而提高器件响应水平。本论文研究所取得的主要创新性成果总结如下:(1)利用类同质外延方法,实现了AlN材料质量提升,提出并证明了界面应力是缺陷演变驱动力。采用MOCVD技术在HVPE-AlN模板上类同质外延AlN材料的方法,实现了AlN外延层(10-12)面XRC-FWHM相比衬底降低102 arcsec;采用低温层改变界面应力状态的方法,研究了AlN类同质外延过程中的缺陷演变规律,证明了界面应力是位错演变的驱动力,同时还发现了不同种类位错演变所需驱动力的大小关系。(2)发现了大斜切角模板衬底上类同质外延AlGaN材料的组分不均匀性,成功解释了造成该组分不均匀性的原因,并利用“混合金属有机源预处理衬底表面”的方法有效抑制了该组分的不均匀性,同时应用“Carbon-Cluster”理论成功解释了该方法抑制组分不均匀的机制。采用MOCVD在HVPE-AlN模板上外延AlGaN时,AlGaN材料出现组分不均匀现象,这是由于衬底表面存在Macro-steps,同时Al原子与Ga原子又具有不同的迁移距离,造成Ga原子在Macro-steps的位置富集;采用“混合金属有机源”处理衬底之后,有机源高温分解形成的Carbon-Cluster有效阻挡了Al、Ga原子的迁移,消除了迁移距离的差异,从而抑制了组分的不均匀性。(3)发现了HVPE-AlN模板上类同质外延AlGaN材料的多个激子态和金属阳离子空位缺陷相关发射峰,并利用“混合金属有机源预处理衬底表面”的方法成功降低了激子态数目、抑制了金属阳离子空位缺陷相关的发光峰。采用变温PL测试方法研究类同质外延AlGaN材料的激子特性,发现两种组分的AlGaN材料均表现出多个激子态,并且激子态之间能量转移复杂,造成材料发光复杂,这主要是因为材料内的合金势垒振荡较大,而“混合金属有机源预处理衬底表面”则降低了合金势垒振荡,从而减少了激子态数目;此外,采用PL测试方法研究缺陷相关发射峰,发现类同质外延AlGaN材料存在(V_(cation-)complex)~(2-)缺陷相关的发射峰,而“混合金属有机源预处理衬底表面”能有效抑制该发射峰,这是因为该方法提供了富金属的生长条件,抑制了金属阳离子空位缺陷的产生。(4)提出利用极化电场特性优化AlGaN日盲紫外探测器结构,实现了高响应度的AlGaN基日盲紫外探测器。采用MOCVD技术在HVPE-AlN模板衬底上类同质外延极化增强结构AlGaN基日盲紫外探测器,获得了10 V偏压下1.42 A/W的峰值响应度,相比无极化增强情况提高了50倍。进一步的优化更实现了30 V偏压下3.11 A/W峰值响应度,证明了极化效应对探测器性能提升的重要作用。
【图文】：

盲紫外探测器”。由于没有太阳背景辐射的干扰，日盲波段紫外线在诸多领域都有着非常广泛的应用，其相应的日盲紫外探测器也因具备信号处理难度小、误报警率低、抗干扰能力强等优点在国防与民用领域具有广泛的应用前景，如图1.1(b)所示。例如在国防领域，当今主流的导弹制导与预警系统均采用红外探测技术，存在一定程度的误警率，日盲紫外探测器技术的协同使用将有效降低误警率；在航空航天领域，日盲紫外探测器的无背景辐射干扰、保密通讯等优点将大大提高空间技术的系统安全性；在民用领域，日盲紫外探测器能广泛应用于火灾的早期预警、某些燃烧过程在实时检测、生化过程的在线检测以及当前正在兴起的量子通讯系统等[1-3]。图 1.1 (a)大气对太阳辐射的透射谱；(b)日盲紫外探测器应用前景尽管紫外探测器特别是日盲紫外探测器具有如此巨大的应用前景，但是当前高性能日盲紫外探测器的研究与应用仍然存在巨大挑战。目前商用的日盲紫外探

光电倍增管具有暗、响应速度快、稳定性高、电流增益高等优点，Si 基材料生长及器件工艺成于获得高性能芯片。然而此两种探测器的固有特性严重限制了它们的应。光电倍增管采用阴极射线高压倍增的原理，如图 1.2(a)所示，需要超高，并且还需要结构复杂、体积庞大、成本昂贵的阴极制冷系统和光学滤波系大限制了该类型探测器的可靠性和应用范围。Si 基紫外探测器以 Si 半导为基础，其禁带宽度仅 1.12 eV，吸收包括紫外、可见以及部分红外线在谱辐射，如图 1.2(b)所示，因此需要大量的复杂滤光系统以保证日盲紫外性，增加了器件应用的成本、限制了器件应用的范围。随着半导体技术的发型化、易集成的半导体探测器亦蓬勃发展，已经成为最为重要的探测器类。近年来，以 AlN、GaN 等为代表的宽禁带第三代半导体材料质量的进一令半导体紫外探测器的制备研究迅猛发展，成为紫外、深紫外探测器的重6-8]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TN23

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