AlGaNGaN超晶格红外紫外双色光电探测器的研究.doc

代  号  10701  学  号  09171110299  分 类 号  TN4  密  级  公 开  题（中、英文）目  AlGaN/GaN 超晶格红外/紫外双色光电探测器研究 A Study of the Two-color AlGaN/GaN Superlattice Infrared/Ultraviolet Photodetector  作 者 姓 名  张 伟  指导教师姓名、职务  郝 跃 教授  学 科 门 类  工 学  学科、专业  微电子学与固体电子学  提交论文日期  二○一三年三月 西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新性）声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。  本人签名：  日  期：  西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 （必威体育官网网址的论文在解密后遵守此规定） 本学位论文属于必威体育官网网址，在 本人签名： 年解密后适用本授权书。 导师签名：  日  期：  日  期： 摘 摘  要 要  AlxGa1-xN 的禁带宽度可以连续的从 3.4 eV (GaN) 变化到 6.2 eV （AlN），对 应的光波波长范围为 200~360 nm，它是实现紫外日盲区（200~280 nm）光学探测 的很好选择。同时 GaN 和 AlN 的导带不连续能够达到 2 eV，使得 AlGaN/GaN 量 子阱结构在实现红外光电探测方面同样具有不可比拟的优势。 紫外光在近地面空气中衰减较快，有效的探测距离在 500 m 左右，红外光可 对目标实行远距离识别和追踪，然而空气中该波段背景辐射强度较大。如果能够 在红外波段实现远距离的目标跟踪，距离近时切换为紫外探测模式，就能够提高 对目标的识别追踪效果，减小复杂的红外背景辐射的影响。更进一步，通过单个 器件实现这种双色探测，两者共用一个光学系统，可以减小设备的成本和体积， 扩展其应用范围。 本课题的目的是在一个 GaN 基片上同时实现红外和紫外的双色探测，其中紫 外探测通过禁带吸收实现，而红外探测则通过 AlGaN/GaN 超晶格的子带跃迁结 构实现。我们将主要精力放在红外探测部分，因为相对于禁带间的跃迁吸收，超 晶格对光子的选择吸收需要考虑势垒层厚度和势阱层厚度等因素导致的量子效应 的影响，而这一切在考虑到 GaN 材料自身的极化现象以后将变得更为复杂。 本文涉及到 AlGaN/GaN 超晶格光电探测研究和设计的整个体系。包括：超 晶格结构的仿真设计，超晶格的 MOCVD 生长及材料表征，光学特性以及电学特 性的测量。取得的主要成果如下： 1. 自定义超晶格的结构，基于 SILVACO 和 NEXTNANO3 两个软件中自洽求 解薛定谔-泊松方程的功能，计算超晶格各个参数对量子阱中子带位置的影响。变 化的参数包含：势阱中的掺杂浓度、势垒层厚度、势阱层厚度、势垒层 Al 组分、 温度以及超晶格底部缓冲层的 Al 组分等。由于 GaN 基材料自身的极化现象，这 些因素对超晶格能带的影响不同于普通的方形势阱。比如，我们首次提出势阱中 必须高掺杂（1019 cm-3），否则各个势阱中的电子会被极化作用耗尽，从而起不 到光子探测的功能；又如，势垒层的厚度也会影响严重影响势阱中子带的位置。 这些现象在非极化材料中是不可想象的。 2. 根据仿真确定的超晶格结构，使用 MOCVD 设备在双面抛光蓝宝石衬底 上进行外延生长，然后通过 AFM，HRXRD，拉曼光谱等手段对外延结构进行表 征，确定我们能够生长出高质量的超晶格结构。对 HRXRD 结果进行拟合发现势 阱层或势垒层厚度均可以减小到 1.7 nm，且通过对生长配方的修改，可以控制其 厚度在 1nm 范围内变化。 i AlGaN/GaN 超晶格红外/紫外双色光电探测器研究 3. 测量超晶格的光学吸收特性。独自设计样片加工平台，制