AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器结构材料的生长与表征

摘要

近年来,紫外探测技术在制导、预警、生化等方面得到了广泛的应用。AlGaN材料属直接带隙半导体材料,截止波长可调,覆盖200～365nm波段,化学稳定性好,是制作紫外探测器的理想材料。AlGaN基p-i-n型紫外探测器因其漏电流小、响应速度快、量子效率高等优势,成为国内外的研究热点。但是,由于缺少与AlGaN材料匹配的衬底,AlGaN材料的晶体质量一直限制着紫外探测器性能的进一步提高。高Al组分的AlGaN材料的生长以及掺杂,是AlGaN基日盲紫外探测器研究与制备的基础。本文利用金属有机化学气相沉积的方法,成功获得了高Al组分(0.4～0.65)的n型AlGaN和AlGaN基p-i-n型结构材料,为AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器制备奠定了材料基础。在课题研究过程中,本文主要获得了以下一些有意义和有创新性的研究结果:
　　(1)通过对Al0.4Ga0.6N进行n型掺杂研究得出,n-Al0.4Ga0.6N的电子浓度随SiH4流量的增加而减少,其主要是因为过高的掺杂流量在材料中引入大量的受主缺陷态与电子发生补偿。n-Al0.4Ga0.6N的迁移率随电子浓度的增加先升高后降低,表明位错散射和杂质散射作用对电子迁移率的限制分别占主导因素。
　　(2)通过研究Al组分的饱和现象,表明在特定的反应条件下,Al原子与Ga原子的活性不同对AlGaN生长的特殊影响:当TMA源流量增加时,AlGaN材料的Al组分并没有随之增加。结合Al组分的饱和现象,通过降低TEG源流量,成功获得了高Al组分(0.4～0.65)的n-AlGaN材料,得到n-Al0.65Ga0.35N材料的电子浓度为0.9×1018cm-3,迁移率达到22.8cm2/Vs。
　　(3)通过研究不同Al组分的AlGaN窗口层对n-Al0.4Ga0.6N材料的影响得出,相对于单层n-Al0.4Ga0.6N的生长来说,窗口层的插入增加了n-Al0.4Ga0.6N薄膜的压应力、位错密度,是造成n-Al0.4Ga0.6N晶体质量变差的主要原因。而n-Al0.4Ga0.6N的表面形貌随着SiH4流量的增加逐渐变差。当窗口层Al组分小于0.4时,SiH4流量的增加是造成n-Al0.4Ga0.6N电导率下降的主要原因。当窗口层Al组分大于0.4时,窗口层的插入是造成n-Al0.4Ga0.6N电导率下降的主要原因。
　　(4)通过p型GaN的掺杂及其优化,最终采用金属有机化学气相沉积技术成功制备出AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器结构材料,紫外探测器材料的截止波长为267nm,400nm处光透过率基本接近80％,为后续制备AlGaN基p-i-n日盲紫外探测器件打下了坚实的材料基础。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究状况

1.3 论文的组织与结构

2 AlGaN-MOCVD生长系统与材料表征方法

2.1 AlGaN-MOCVD系统

2.2 MOCVD外延生长原理介绍

2.3 日盲探测器MOCVD生长工艺

2.4 AlGaN测试设备与表征方法

2.5 本章小结

3 高Al组分AlGaN的生长及n型掺杂研究

3.1 AlN缓冲层的生长

3.2 低Al组分(0.3~0.4)AlGaN的n型掺杂

3.3 高Al组分(0.4~0.65)AlGaN的n型掺杂

3.4 本章小结

4 窗口层对n-AlGaN的影响研究

4.1 窗口层对n-Al0.4Ga0.6N的晶体质量的影响

4.2 窗口层对n-Al0.4Ga0.6N的电学特性的影响

4.3 本章小结

5 AlGaN基p-i-n型日盲紫外探测器全结构材料生长

5.1 p型GaN材料的MOCVD生长及其优化

5.2 日盲紫外探测器全结构的生长与测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本实验工作总结

6.2 实验展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录