基于纳米图形模板的AlGaN材料制备及其紫外雪崩光电探测器研究

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在科技现代化进程中,紫外探测技术得到飞速发展,其在军事和民用领域都有极其重要的应用,在战略意义上,它是我国迫切需求并要重点发展的技术。紫外光子目标信号传输损耗大,为满足对远距离微弱紫外信号的探测,器件必须具备超高灵敏度,这就要求探测器具有超高的增益。除此以外还需要探测材料本身具有强的带外信号抑制能力,这一点单靠滤波片难以做到。AlGaN材料同时具备发展高紫外带内/带外信号抑制比和高带内增益探测器件的能力。AlxGa1-xN材料可以通过控制Al组分调控禁带宽度(3.42~6.2 e V),对应探测波段覆盖紫外到日盲以及深紫外波段,与传统材料相比,AlGaN还具有很高的比探测率,是紫外探测领域的理想材料。但是要实现高抑制比、高增益雪崩器件需要解决以下几个关键问题:材料外延中的缺陷控制问题、器件设计与制备中的雪崩离化调控问题以及暗电流抑制问题。因此本文将从AlGaN材料生长和雪崩探测器设计与制备等多个方面来讨论和解决这些关键科学问题和技术瓶颈:(1)从材料外延角度出发,发展了利用Ni金属退火自组装来制备Al N纳米图形模板的方法。与此同时,通过调节Ni金属厚度、退火温度等参数来控制纳米图形尺寸,并且研究了Ni退火自组装与位错分布的关系,成功制备出了分布均匀的Al N纳米柱。进一步地利用自组装Al N纳米图形模板制备高Al组分AlGaN。模板能够实现AlGaN横向外延,有效降低材料位错,提升晶体质量。与此同时也应用了超晶格结构过滤位错。在制备完成的AlGaN模板上进一步外延出器件结构,制备出AlGaN基紫外雪崩光电探测器,表现出优异的雪崩特性。(2)从器件设计角度出发,以倍增分离SAM结构为基础,创新性地设计了背入射渐变增强结构APD,实现了高增益日盲紫外探测性能,并设计了光子晶体滤波器,从理论上阐述了光子晶体与APD的结合应用。此外,提出了正入射极化增强结构,利用极化和能带工程有效提高了APD增益。经过数值计算对不同结构的SAM APD不同层结构进行了精细化调控,为不同结构的器件设计提供了性能提升改进方案。(3)从器件制备角度出发,介绍了AlGaN基APD的制备工艺,并且提出了新的台面结构工艺和渐变组分工艺以提高器件性能。以工艺制备为基础,制备出了一系列高性能器件,并且分析了SAM型APD的倍增与穿通机制。具体为以下几方面:制备了不同倍增尺寸的背入射AlGaN SAM APDs。发现倍增宽度与器件性能存在权衡关系。使用不同的Al N模板来生长SAM结构,发现较低的晶体质量会提高APD的暗电流,更容易引发提前击穿;制备了一种基于三层台面结构的,实现了高紫外探测性能。证明了三层台面结构有利于优化电场分布,有利于降低暗电流和击穿电压。研究了背入射AlGaN APDs的台面尺寸效应,并应用渐变Al组分结构,改善晶体质量;研究了器件电容特性,直接观测到SAM型AlGaN APD的穿通行为。电容的显著下降趋势揭示了n型插入层的耗尽过程,表明了穿通行为的发生。从实验与理论两方面明确揭示了SAM APD的穿通机理,为提取器件穿通电压提供了一种直接的方法。制备了集成光子晶体的离化增强型AlGaN异质结构日盲APD。通过极化工程和组分调控增强碰撞电离,创新性地设计并集成了一维周期晶体作为光学滤波器,有效提高了APD的日盲探测能力;(4)从性能提升角度出发,制备了插指结构的MSM型α-Ga2O3深紫外日盲紫外光电探测器。通过在器件表面引入铝纳米粒子,使器件响应度提升一个量级。利用KPFM表面势分布直接揭示了Al纳米等离子体局域场产生机制,证明了纳米等离激元增强效应。
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