發(fā)布時間：2020-03-22 11:34

【摘要】：AlGaN材料是一種直接寬禁帶半導(dǎo)體材料,其禁帶寬度在6.2eV至3.4eV之間連續(xù)可調(diào),是制備工作波長在210nm至365nm之間的紫外光電子器件的理想材料�；贏lGaN材料的日盲紫外探測器具有本征探測、波長可調(diào)、體積小、抗輻射、工作電壓低等諸多優(yōu)勢,在諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而,目前AlGaN基日盲紫外探測器性能還遠(yuǎn)未達(dá)到實際應(yīng)用水平,這主要是因為異質(zhì)外延中的晶格失配與熱失配造成AlGaN材料質(zhì)量的低下。此外,AlGaN基日盲紫外探測器的結(jié)構(gòu)還有待優(yōu)化。本論文圍繞如何提高AlGaN材料質(zhì)量及探測器性能展開研究。針對異質(zhì)外延下AlGaN材料質(zhì)量低下的問題,提出采用類同質(zhì)外延的方法生長AlN和AlGaN材料,從而提高材料質(zhì)量;針對AlGaN日盲紫外探測器性能低下的問題,提出利用極化效應(yīng)提升探測器內(nèi)量子效率,從而提高器件響應(yīng)水平。本論文研究所取得的主要創(chuàng)新性成果總結(jié)如下:(1)利用類同質(zhì)外延方法,實現(xiàn)了AlN材料質(zhì)量提升,提出并證明了界面應(yīng)力是缺陷演變驅(qū)動力。采用MOCVD技術(shù)在HVPE-AlN模板上類同質(zhì)外延AlN材料的方法,實現(xiàn)了AlN外延層(10-12)面XRC-FWHM相比襯底降低102 arcsec;采用低溫層改變界面應(yīng)力狀態(tài)的方法,研究了AlN類同質(zhì)外延過程中的缺陷演變規(guī)律,證明了界面應(yīng)力是位錯演變的驅(qū)動力,同時還發(fā)現(xiàn)了不同種類位錯演變所需驅(qū)動力的大小關(guān)系。(2)發(fā)現(xiàn)了大斜切角模板襯底上類同質(zhì)外延AlGaN材料的組分不均勻性,成功解釋了造成該組分不均勻性的原因,并利用“混合金屬有機(jī)源預(yù)處理襯底表面”的方法有效抑制了該組分的不均勻性,同時應(yīng)用“Carbon-Cluster”理論成功解釋了該方法抑制組分不均勻的機(jī)制。采用MOCVD在HVPE-AlN模板上外延AlGaN時,AlGaN材料出現(xiàn)組分不均勻現(xiàn)象,這是由于襯底表面存在Macro-steps,同時Al原子與Ga原子又具有不同的遷移距離,造成Ga原子在Macro-steps的位置富集;采用“混合金屬有機(jī)源”處理襯底之后,有機(jī)源高溫分解形成的Carbon-Cluster有效阻擋了Al、Ga原子的遷移,消除了遷移距離的差異,從而抑制了組分的不均勻性。(3)發(fā)現(xiàn)了HVPE-AlN模板上類同質(zhì)外延AlGaN材料的多個激子態(tài)和金屬陽離子空位缺陷相關(guān)發(fā)射峰,并利用“混合金屬有機(jī)源預(yù)處理襯底表面”的方法成功降低了激子態(tài)數(shù)目、抑制了金屬陽離子空位缺陷相關(guān)的發(fā)光峰。采用變溫PL測試方法研究類同質(zhì)外延AlGaN材料的激子特性,發(fā)現(xiàn)兩種組分的AlGaN材料均表現(xiàn)出多個激子態(tài),并且激子態(tài)之間能量轉(zhuǎn)移復(fù)雜,造成材料發(fā)光復(fù)雜,這主要是因為材料內(nèi)的合金勢壘振蕩較大,而“混合金屬有機(jī)源預(yù)處理襯底表面”則降低了合金勢壘振蕩,從而減少了激子態(tài)數(shù)目;此外,采用PL測試方法研究缺陷相關(guān)發(fā)射峰,發(fā)現(xiàn)類同質(zhì)外延AlGaN材料存在(V_(cation-)complex)~(2-)缺陷相關(guān)的發(fā)射峰,而“混合金屬有機(jī)源預(yù)處理襯底表面”能有效抑制該發(fā)射峰,這是因為該方法提供了富金屬的生長條件,抑制了金屬陽離子空位缺陷的產(chǎn)生。(4)提出利用極化電場特性優(yōu)化AlGaN日盲紫外探測器結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了高響應(yīng)度的AlGaN基日盲紫外探測器。采用MOCVD技術(shù)在HVPE-AlN模板襯底上類同質(zhì)外延極化增強(qiáng)結(jié)構(gòu)AlGaN基日盲紫外探測器,獲得了10 V偏壓下1.42 A/W的峰值響應(yīng)度,相比無極化增強(qiáng)情況提高了50倍。進(jìn)一步的優(yōu)化更實現(xiàn)了30 V偏壓下3.11 A/W峰值響應(yīng)度,證明了極化效應(yīng)對探測器性能提升的重要作用。
【圖文】：

盲紫外探測器”。由于沒有太陽背景輻射的干擾，日盲波段紫外線在諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用，其相應(yīng)的日盲紫外探測器也因具備信號處理難度小、誤報警率低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點在國防與民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如圖1.1(b)所示。例如在國防領(lǐng)域，當(dāng)今主流的導(dǎo)彈制導(dǎo)與預(yù)警系統(tǒng)均采用紅外探測技術(shù)，存在一定程度的誤警率，日盲紫外探測器技術(shù)的協(xié)同使用將有效降低誤警率；在航空航天領(lǐng)域，日盲紫外探測器的無背景輻射干擾、保密通訊等優(yōu)點將大大提高空間技術(shù)的系統(tǒng)安全性；在民用領(lǐng)域，日盲紫外探測器能廣泛應(yīng)用于火災(zāi)的早期預(yù)警、某些燃燒過程在實時檢測、生化過程的在線檢測以及當(dāng)前正在興起的量子通訊系統(tǒng)等[1-3]。圖 1.1 (a)大氣對太陽輻射的透射譜；(b)日盲紫外探測器應(yīng)用前景盡管紫外探測器特別是日盲紫外探測器具有如此巨大的應(yīng)用前景，但是當(dāng)前高性能日盲紫外探測器的研究與應(yīng)用仍然存在巨大挑戰(zhàn)。目前商用的日盲紫外探

光電倍增管具有暗、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、電流增益高等優(yōu)點，Si 基材料生長及器件工藝成于獲得高性能芯片。然而此兩種探測器的固有特性嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)。光電倍增管采用陰極射線高壓倍增的原理，如圖 1.2(a)所示，需要超高，并且還需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本昂貴的陰極制冷系統(tǒng)和光學(xué)濾波系大限制了該類型探測器的可靠性和應(yīng)用范圍。Si 基紫外探測器以 Si 半導(dǎo)為基礎(chǔ)，其禁帶寬度僅 1.12 eV，吸收包括紫外、可見以及部分紅外線在譜輻射，如圖 1.2(b)所示，因此需要大量的復(fù)雜濾光系統(tǒng)以保證日盲紫外性，增加了器件應(yīng)用的成本、限制了器件應(yīng)用的范圍。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)型化、易集成的半導(dǎo)體探測器亦蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成為最為重要的探測器類。近年來，以 AlN、GaN 等為代表的寬禁帶第三代半導(dǎo)體材料質(zhì)量的進(jìn)一令半導(dǎo)體紫外探測器的制備研究迅猛發(fā)展，成為紫外、深紫外探測器的重6-8]。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304;TN23

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