论文部分内容阅读
紫外探测器是国防预警与跟踪、环境监测、电力工业以及生命科学等领域所急需的关键部件。与现有真空紫外探测器件相比,基于半导体材料的固态紫外探测器件具有体重小、功耗低、量子效率高、和便于集成等系列优势。其中,宽禁带Ⅲ族氮化物半导体材料体系中的AlGaN材料,其带宽可以由3.4eV一直连续变化到6.2eV,覆盖日盲波段,是制备深紫外探测器件的优选材料。由于高晶体质量的高A1组分AlGaN材料制备困难,面临着材料缺陷密度较高、p型掺杂效率低等问题,且载流子离化系数随A1组分升高而逐渐降低等,所以采用普通的雪崩光电探测器(APD)结构和工艺难以制备出高增益的AlGaNAPD器件。为了提高AlGaN APD的性能,本论文在传统的SAM结构基础上进行了改进和优化,利用低Al组分AlGaN离化系数较高的特点,采用异质结倍增层的结构设计,并引入三台面工艺和光电化学处理等工艺,成功制备出了高性能的AlGaN雪崩探测器。主要研究内容和结果如下：1.首次提出了异质结增强型AlGaN APD结构,利用低A1组分AlGaN的离化系数较高的特点,在传统的单一组分的高A1组分Al0.45Ga0.55N倍增层中引入了一层A1组分相对较低的Al0.3Ga0.7N构成异质结构倍增层,以提高APD器件的平均离化系数。模拟结果显示低A1组分层的组分对器件整体性能有很大的影响,但低A1组分层的使用可能导致器件失去日盲特性。为了兼顾器件的日盲特性,我们在衬底和器件结构之间设计了一个Al0.5Ga0.5N/AlN的分布式布拉格反射镜(DBR)结构来保证器件日盲特性。倍增层低A1组分和DBR高反区带宽折衷结果表明当低A1组分层Al组分为0.3时,能得到性能较优的日盲紫外探测器。对比传统结构,异质结增强结构APD的击穿电压下降大约2.5 V,而倍增因子则从传统结构的7.13×104提高到1.14×105,提升了大约60%。2.发展了一种雪崩倍增层电场分布精细调控技术,提出通过在异质结倍增层中间插入一层n型AlGaN来实现倍增层电场分布的调控。模拟结果显示n型AlGaN插入层中掺杂浓度与厚度、A1组分以及异质结的厚度分配比对器件整体性能有重要影响。最后发现,当插入层AlGaN组分为0.2、厚度为20nm、浓度为1×1017/cm3且低A1组分层的厚度在40nm(总倍增层厚度为200nm)时,器件综合性能达到最优,相比调控前的异质结倍增层结构,击穿电压降低了2.1V,雪崩增益提高了约53%。3.采用异质结倍增层的结构设计并制备了高增益的AlGaN异质结深紫外雪崩探测器,所制备的器件增益达到了105量级。另外,在器件制备过程中发展了一系列新的工艺诸如光电化学处理、三台面结构等关键工艺,这些工艺对降低器件漏电流具有重要作用。