III-V族半导体材料的电化学C-V表征及GaN基光导器件的持续光电导研究

来源 :中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:aa283488665
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III-V族直接带隙半导体化合物在光电探测器领域具有非常广泛的应用。由于GaN基宽禁带半导体材料具有化学性质稳定、直接带隙及带隙可调范围大等特点,使其在高功率、高频电子器件以及发光器件、紫外探测器方面具有广阔的应用范围。同时,由于GaN基紫外光电探测器在小于365nm紫外波段具有锐利可调的截止响应特性,响应波长范围可以从365nm(禁带宽度3.4eV的GaN)变到200nm (禁带宽度6.2eV的AlN),具有在不受长波长辐射的影响下探测日盲区(240-280nm)的特性,因而成为紫外探测器的重要发展方向。但是GaN基薄膜材料由于存在着高浓度的深能级缺陷,导致由其制成的光导器件中存在着持续光电导现象,阻碍了GaN基光导器件的实际应用。另外,在用于短波红外探测器的材料中,由于InGaAs材料具有良好的材料特性和成熟的外延工艺,使得InP基InGaAs材料在红外探测器中得到广泛的应用。半导体材料的载流子浓度是决定半导体器件性能的关键性因素之一,本文先对III-V族半导体材料中应用十分广泛的InP基材料和GaN基材料的载流子浓度纵向分布进行了电化学C-V测试;然后针对GaN基光导器件中存在的持续光电导现象,设计了GaN基超晶格材料结构,制备了GaN基日盲紫外超晶格光导器件,并对其持续光电导现象进行了深入研究。首先,对InP基材料和GaN基材料载流子浓度的纵向分布进行了电化学C-V表征,发现电化学C-V方法在对多层材料的载流子浓度纵向分布进行分析时,所测的每一层厚度与设计值有所偏差,并且当载流子浓度纵向分布由高至低梯度变化时,所测得载流子浓度与设计值有较大差异。为了准确表征多层材料的载流子浓度及其每一层的厚度,可以用扫描电容显微镜和扫描开尔文探针显微镜对多层材料的载流子浓度及其每一层的厚度进行表征,可以准确得到每一层的厚度,但是只能得到载流子浓度的数量级;因此本文在对高载流子浓度的表层测试完后,手动腐蚀掉表层,再进行电化学C-V测试,得到了每一层的载流子浓度,最后实现了对半导体材料载流子浓度纵向分布的较为准确的测试。其次,对GaN基光导器件的持续光电导现象产生机制及其国内外研究现状进行了调研,并设计了GaN基超晶格材料结构,超晶格材料中两种不同Al组分AlxGa1-xN交替生长,针对日盲波段(240-280nm)设计的Al组分x分别为0.65和0.42,每一层厚度为5nm,总共20个周期。对该GaN基超晶格材料进行透射光谱测试,其吸收边位于日盲波段,符合设计要求。最后,制备了GaN基日盲紫外超晶格光导器件,对该光导器件持续光电导的电场效应和热效应进行了深入研究。对该光导器件的响应光谱进了测试和分析,发现该光导器件在日盲波段(240-280nm)响应率较大,在245nm处响应率最大;对该光导器件的持续光电导的电场效应进行了测试和分析,发现在光导器件持续光电导衰减过程中,对其加一个高偏压,会使电流降到一个比初始电流还低的值。在一定范围内,所加偏压越高,时间越长,电流降得越低;对该光导器件的持续光电导的温度效应进行了测试和分析,发现温度越高,持续光电导衰减得越快。
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