【摘要】：4H-SiC紫外雪崩光電探測(cè)器(APD)因其具有探測(cè)極其微弱甚至是單光子紫外信號(hào)的能力而在世界范圍內(nèi)引起了研究人員的廣泛興趣。這一類器件在諸如紫外天文觀測(cè)、高壓電暈檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、紫外激光雷達(dá)、生物檢測(cè)以及戰(zhàn)機(jī)或?qū)椢惭鏅z測(cè)這些領(lǐng)域都有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。和傳統(tǒng)的諸如光電倍增管(PMTs)這一類真空紫外探測(cè)器件相比,4H-SiC APD器件具有諸多明顯的優(yōu)勢(shì)。4H-SiC APD的體積更小、成本更低、系統(tǒng)集成更容易以及潛在的探測(cè)效率更高。除此之外,半導(dǎo)體類型的APD器件通常比真空類型的PMTs器件使用壽命更長(zhǎng)以及操作電壓更低。同時(shí),與Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體制成的紫外探測(cè)器相比,4H-SiC探測(cè)器也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),目前4H-SiC半導(dǎo)體外延材料的缺陷密度要比GaN等Ⅲ族氮化物低很多,而材料外延質(zhì)量對(duì)于APD器件的制備來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。目前已經(jīng)報(bào)道的諸多4H-SiC APD器件在暗電流、雪崩增益以及器件可靠性等方面性能優(yōu)異,呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。在本文的工作中,基于部分槽隔離結(jié)構(gòu)的4H-SiC傾斜臺(tái)面紫外APD器件被成功的設(shè)計(jì)并制備;直徑在75微米到1000微米的多種不同尺寸APD器件被成功的制備并就器件性能進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究;最后具有50像素點(diǎn)的4H-SiC APD線性陣列被成功制備并經(jīng)過(guò)測(cè)試表征首次報(bào)道了其所有像素都能夠正常工作在蓋革模式以及進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:1.基于部分槽隔離結(jié)構(gòu)的4H-SiC傾斜臺(tái)面APD器件被成功制備,通過(guò)采用部分槽隔離結(jié)構(gòu),在器件直徑為150微米時(shí),APD器件的占空比從傳統(tǒng)完全隔離結(jié)構(gòu)的33.9%提高到了 63.5%。并且在相同的紫外光照條件下,部分槽隔離APD器件的光電流呈現(xiàn)出了和占空比提升相對(duì)應(yīng)的等比例提高。通過(guò)Ⅰ-Ⅴ、光譜響應(yīng)以及單光子探測(cè)性能的詳細(xì)對(duì)比表征,證實(shí)了部分槽隔離APD器件在顯著提升器件占空比的同時(shí)其各方面器件性能相較于傳統(tǒng)的完全隔離器件并無(wú)降低。實(shí)驗(yàn)中制備的部分槽隔離器件展現(xiàn)出了優(yōu)異的器件性能,其在270nm處達(dá)到了 66.4%的最大外量子效率;280nm紫外光照條件下的單光子探測(cè)效率為9.5%,相應(yīng)的暗計(jì)數(shù)則為1 Hz/μm2。2.器件直徑為75微米至1000微米的多種不同尺寸APD器件被成功的制備;接下來(lái)對(duì)不同尺寸APD器件的Ⅰ-Ⅴ、光譜響應(yīng)以及單光子探測(cè)性能進(jìn)行了對(duì)比表征分析;實(shí)驗(yàn)中成功制得了直徑達(dá)1000微米的大尺寸APD器件,盡管它的反向漏電相較于小尺寸器件有明顯的抬升,但是其仍然能正常的發(fā)生雪崩擊穿,最大雪崩增益也能夠達(dá)到105以上。3.一個(gè)具有50像素點(diǎn)并且能夠正常工作于蓋革模式的4H-SiC紫外APD線性陣列被首次成功的制備。盡管有少部分的像素點(diǎn)在臨近雪崩擊穿電壓時(shí)存在過(guò)早額外漏電流,該線性陣列中的50個(gè)像素點(diǎn)全部都能在蓋革模式下進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)。通過(guò)對(duì)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析認(rèn)為少部分器件中存在的過(guò)早額外漏電很有可能是由于外延結(jié)構(gòu)中的材料缺陷導(dǎo)致的,這種缺陷漏電在單光子計(jì)數(shù)性能測(cè)試時(shí)還會(huì)貢獻(xiàn)暗計(jì)數(shù)致使器件的蓋革計(jì)數(shù)性能降低。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所制備線性陣列中的典型低漏電APD器件,其室溫條件下在280nm處的單光子探測(cè)效率為9.7%,對(duì)應(yīng)的暗計(jì)數(shù)為5.8 Hz/μm2。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN23

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本文編號(hào)：2318633