用于紫外-近红外宽光谱光电探测的全氮化物异质结构材料分子束外延生长及背照原型器件研究

As direct bandgap semiconductors, III-nitrides (AlN、GaN and InN) are ideally suited for fabricating various high-performance photodetectors. Theoretically, the bandgap of their ternary or quaternary alloy semiconductors（InxGa1-xN、InxAl1-xN、AlxGa1-xN与InxAlyGa1-x-yN) can be flexibly tuned from 6.2 eV(Eg of AlN) to ~0.7eV(Eg of InN) ，which means the optoelectronic devices based on these nitride heterostructure material system will possess high quantum efficiency over a very broad spectral band ranging from deep ultraviolet(~200nm) to near and shortwave infrared(~1.8um). These broadband photodetectors are very promising for the multispectral ocean observation and UV-VIS-NIR spetroscopy applications etc. Up to now, most of researches were focus on visible-blind or solar-blind photodetectors by using high Al-content AlGaN or GaN as absorption layer. In this project, a type of broadband UV-to-NIR photodetectors based on all III-nitride heterostructures are proposed. For this goal, we will develop a two-step method with combination of MOCVD and MBE for high quality AlGaN/InGaN heterostructure growth,explore a scheme to reduce background eletron concentration of unintentionally-doped absorption layer, and optimize device design and fabrication processes.

III族氮化物半导体（AlN、GaN、InN）是一类性能得天独厚的直接带隙的半导体光电探测材料。由于其三元或四元合金（InxGa1-xN、InxAl1-xN、AlxGa1-xN与InxAlyGa1-x-yN)带隙理论上可以从InN的约0.7eV连续变化到AlN的6.2eV，意味着利用氮化物材料体系异质结构制备的光电子器件的响应光谱段可以从深紫外200nm一直拓展到近短波红外约1.8um，这些光电探测器在多谱段海洋水体观测、紫外-近红外分光光度计等方面将有着重要的应用价值。迄今为止，氮化物半导体光电探测器的多数研究还主要集中在利用高Al组分AlGaN或GaN作为吸收层制作可见光盲或日盲探测器，本课题将开展高质量AlGaN/InGaN异质结构材料的MOCVD/MBE两步法生长、降低非故意掺杂吸收层本底电子浓度以及器件设计和工艺研究，并在此基础上实现全氮化物异质结构宽光谱背照光电探测器。

新一代先进光电成像探测器正朝着更高空间及光谱分辨率的多光谱/超光谱成像探测发展，拓宽光谱响应范围并提高探测效率成为光电探测技术发展的内在要求，本项目提出并研制了一种基于氮化物异质结构的宽光谱光电探测器原型器件。主要开展了高Al组分AlGaN、高In组分InGaN材料生长和掺杂机理性问题研究，重点解决了氮化物PIN探测器原型器件的外延生长及工艺制备中的一些关键科学问题，具体开展的工作及相应研究结果如下：. 1）利用MOCVD设备进行了高Al组分AlGaN材料的生长及掺杂研究。首先，通过优化V/III比和生长速率等生长参数，在蓝宝石衬底上制备了表面平坦的高质量AlN模板；其次，通过生长中断法获得了光透过率高、异质界面陡峭的AlN/AlGaN超晶格结构；以AlN/AlGaN超晶格结构作为缓冲层，制备了Al组分超过60%的AlGaN薄膜材料。在材料生长的基础上，通过优化SiH4流量得到了高电导率的n型AlGaN，并且利用Mg-δ掺杂法得到了p型AlGaN。最后，研究了Mg掺杂时GaN晶体中V型坑缺陷的形成机理，并通过原位退火工艺激活Mg原子，获得了空穴浓度超过1.0E+18cm-3的p型GaN材料。. 2）利用MBE生长高In组分InGaN材料，研究了生长温度和源束流等参数对其晶体质量和材料组分的影响，制备了In组分超过50%的InGaN薄膜。金属调制生长法可以有效提高In原子的扩散与并入，生长的InGaN具有更好的表面、更强的发光强度、较低的本征载流子浓度以及更均匀的组分。采用图形化衬底能够阻止穿透位错在GaN晶体的纵向延伸，进而抑制InGaN外延层中V型缺陷的产生，降低晶体的缺陷密度。此外，开展了GaN的p型掺杂研究，探究了Mg原子在GaN晶体中的并入行为，获得空穴浓度为2.8E+18cm-3的p型GaN材料. 3）根据优化的外延结构与生长条件，对AlGaN PIN紫外探测器的外延结构进行了生长，并对其光透过率及晶体质量等进行了测试表征；利用氮化物光电探测器成熟的工艺流程，制备了宽光谱AlGaN/GaN PIN光电探测二极管，其光谱响应范围为260~365nm，峰值响应率为0.23A/W@355nm。