宽禁带半导体紫外感光器件性能研究

发布时间：2017-12-10 23:18

  本文关键词：宽禁带半导体紫外感光器件性能研究

  更多相关文章： GaN AlGaN SiC 紫外探测器 金属-半导体-金属 光电导开关 雪崩光电二极管

【摘要】：宽禁带半导体,又称为第三代半导体材料,具有宽带隙、高击穿场强、高电子饱和速度和高热导率等优良的物理特性,是制备高功率、高温器件,以及高效率紫外探测器件的优选材料。其中,Ⅲ族氮化物和SiC材料由于最近十多年大量的研发投入,材料质量和制造工艺技术都显著提高。本论文中主要基于(Al)GaN和SiC材料,设计并制备了若干紫外探测和光电导开关器件,并对器件性能进行了分析。论文主要工作成果如下：1.在HVPE法生长的掺铁高阻GaN基板上直接制备了金属-半导体-金属结构紫外探测器。在20V偏压下,探测器室温时的暗电流小于2.5 pA,紫外与可见光响应的抑制比为1×102,对应的量子效率约为10%。探测器的开启和关断的时间延时均小于2 ms,但是探测器光电流在恒定紫外光照下呈现持续衰减现象。通过分析可知以上探测器光响应性能的变化主要是由GaN:Fe材料中高浓度缺陷态和复合中心的作用造成的。本研究提供了一种低成本制备GaN基紫外探测器的方法。2.基于高阻Al0.4Ga0.6N材料和HVPE法生长的GaN:Fe基板分别制备了光电导开关器件(PCSS)。其中,HVPE GaN:Fe基板制备的PCSS截止波长为365 nm,无光照时电阻率约1010Ω cm；同时,GaN:Fe基板上的PCSS可以耐受超过1100V高压,对应极限场强超过1.57 MV/cm。而制备的AlGaN PCSS器件截止波长约280 nm,因而能够免受阳光背景辐射的影响；当处于500 V工作电压下的AlGaN PCSS受到266 nm波长的紫外脉冲激光激发时,器件电流密度可以在15 ns内迅速上升到11.5 kA/cm2;研制的两种PCSS器件的电流脉冲恢复时间都受到RC延时的影响。3.基于4H-SiC材料设计并制备了具有倾斜台面结构的雪崩光电二极管(APD)。由于器件的小角度正倾角台面能够很好的抑制器件边缘电场,所研制的4H-SiC APD具有单光子探测功能,其暗电流处于pA量级,雪崩增益高于105；器件的暗计数为10 kHz时,对应单光子探测效率SPDE约为3%。利用扫描开尔文显微镜(SKPM)建立了一种测量4H-SiC APD器件小倾角台面电势分布的方法；通过这一技术,可以直接测量APD表面的电势变化分布,确定耗尽区具体位置,并比较不同倾角结构APD的场强分布差异；基于改进的SNOM系统,测量了在不同过载偏压下4H-SiC APD的光电流和光计数率在台面内的平面分布规律,测试结果有助于确定器件的缺陷位置和指导器件结构优化；最后,研究了具有薄雪崩层4H-SiC APD的隧穿特性；发现除了测量雪崩击穿电压的负温度系数外,器件的隧穿特性还可以由APD在被动淬灭电路中的瞬态电流脉冲的形状进行判定。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN23

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本文编号：1276279