表面等离激元增强InGaN探测器性能研究

发布时间：2017-12-25 05:34

  本文关键词：表面等离激元增强InGaN探测器性能研究　出处：《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：可见光无线通信(Light Fidelity,LiFi)是2009年由Harald Hass提出来的新概念,由于其具有绿色环保、照明、通信双结合、带宽高、通信网络简易、安全性高等优点,成为短距离无线通信技术的研究热点之一。目前,LiFi通信速度已达到1Gbps。探测器是LiFi通讯的重要组成部分,因此,适宜LiFi通讯的探测器近年来引起研究学者的广泛关注。对于InGaN材料体系而言,由于其带隙可随In组分的改变从3.4eV到0.7eV连续可调,使得InGaN探测器的截止波长可以覆盖整个可见光区。此外,InGaN探测器还具有体积小、功耗低、响应快、噪声低等优点,因此其在LiFi通讯领域有着很好地应用前景,对InGaN可见光探测器的研究引起了高度重视。本论文围绕提高InGaN光电探测器性能开展研究工作,以InGaN材料外延生长质量优化为基础,在器件结构优化方面引入了局域表面等离激元,通过对等离激元共振波长的调控,实现InGaN探测器性能的提升。材料生长方面,深入研究了大失配外延的生长模型,提出了利用晶格失配应力原位侧向外延法生长高质量GaN的方法,同时提出利用生长温度周期调制的方法生长InGaN量子阱材料。器件优化方面,深入研究表面等离激元共振增强机制,提出了一种可以调控金属纳米颗粒的表面等离激元偶极共振波长的有效方法,进而得到性能优化的与表面等离激元耦合的InGaN探测器。本论文的主要研究成果如下:1、提出了一种利用晶格失配应力,原位侧向外延法生长高质量氮化物的方法。为了获得高质量的InGaN材料,首先研究了高质量GaN的生长。基于晶体生长动力学,从晶格失配的角度,建立了失配外延的成核生长模型。采用圆锥体模型,模拟不同失配度下GaN的单位体积自由能变化,利用该理论计算解释了不同的失配情况下异质外延的成核生长过程。基于该理论结果,实现了低位错密度、高质量的GaN外延生长,并对其生长动力学及应力、缺陷演变过程进行了深入分析,为高质量InGaN材料的获得奠定了基础。2、提出一种通过控制金属颗粒周围媒介调控等离激元共振特性的方法等离激元的共振波长直接影响光电器件的性能,等离激元共振波长与InGaN探测器的吸收峰位越匹配,光电耦合引起的共振增强因子越高。因此,基于麦克斯韦方程,结合影响金属等离激元共振增强因素,深入研究了等离激元的共振特性。提出通过调控金属等离激元周围媒介的方法,实现等离激元共振峰位的调控(410nm-490nm),并对其机理进行了深入分析,为获得高性能的InGaN探测器奠定基础。3、成功研制基于等离激元增强的InGaN探测器研究金属等离激元纳米粒子的制备方法,并将金属等离激元引入InGaN探测器,优化探测器研制工艺,通过对其性能测试分析,获得高性能基于等离激元增强的InGaN探测器。结合时域频域有限元差分法,模拟计算金属等离激元对探测器性能的影响,揭示等离激元增强探测器性能机理。与传统InGaN探测器相比,表面覆盖SiO2/Ag复合结构的InGaN探测器的暗电流降低了2个数量级,响应度达到0.98 A/W,提高近10倍。
【学位授予单位】：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】：2017
【分类号】：TN929.1;TN36

【参考文献】

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1 陆大成,段树坤;A Quasi-Therm odynam ic Model of MOVPE of InGaN[J];半导体学报;2000年02期

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本文编号：1331589