GaN基光电探测器的设计及其性能研究.pdf

摘要

摘要

得益于第三代宽禁带半导体产业的发展，GaN基光电探测器产业迅速崛起。GaN基

材料具有高热导率、高击穿电压、高饱和电子漂移速度、较强的抗辐射性、低本征载流

子浓度和稳定的物理化学性能等优越的材料特性，其广泛应用于光电器件、大功率器件

和高频电子器件等领域。AlGaN和InGaN三元合金材料的带隙分别可从3.4eV～

x1−xx1-x

6.2eV和0.7eV～3.4eV连续可调，对应范围可以完美覆盖紫外和可见光波段。而GaN

材料与二维材料石墨烯结合形成异质结可使探测范围扩展到红外波段。为了进一步拓宽

GaN基材料在光电探测器中的应用范围并研究器件的光电特性机制，本文设计了多种

GaN基光电探测器，包括AlGaN日盲紫外雪崩光电探测器(APD)、石墨烯/GaN异质结

光电探测器、30个周期的InGaN/GaNMQW光电探测器和三种不同In组分的InGaN/GaN

MQW光电探测器，分别对其进行相关研究。主要研究成果如下：

1、基于传统结构p-i-n-i-n吸收倍增分离(SAM)AlGaN日盲紫外APD，设计了背照

式具有渐变n型掺杂的Al0.4Ga0.6N电荷层的p-i-n-i-nSAMAlGaN日盲紫外APD。使用

SilvacoTCAD软件模拟，所设计APD的光谱响应在282nm处发生锐截止，其响应峰值

在279nm，在日盲波段具有良好的探测性能。其击穿电压为66.6V，雪崩倍增增益可达

44

9.26×10，与传统结构APD相比雪崩击穿电压降低了6.5V，雪崩增益增加了2.56×10。

此外又对其p型层空穴浓度、倍增层电子浓度和厚度进行优化，最终优化后的击穿电压

比优化前降低了近30%，增益提高了将近4倍。

2、本文采用化学气相沉积法(CVD)生长单层(ML)石墨烯，再通过聚甲基丙烯酸甲酯

(PMMA)转移到GaN上，制备了石墨烯/GaN异质结光电探测器。经过光电特性测试。

其暗电流表现出良好的整流特性，在正偏压下具有三种不同的电流机制，光谱响应曲线

表示石墨烯/GaN异质结光电探测器还具有紫外红外双波段响应。此外，使用密度泛函

理论(DFT)计算研究了石墨烯/GaN异质结探测器的工作机制。结果表明：石墨烯/GaN异

质结在红外波段的光吸收远高于单材料的石墨烯和GaN，说明具有优异的光学性质。在

紫外波段的光吸收以GaN为主，符合GaN的禁带宽度。

3、在图案化蓝宝石衬底上制备了具有30个周期的InGaN/GaNMQW光电探测器，

然后对其进行光电性能测试。结果表明：在5V的反向偏压下，所设计的光电探测器表

-1025

现出低于1×10A/cm的低暗电流密度，光暗电流之比可达2×10，对应的量子效率超

过了50%。此外，在10V反向偏压下，395nm处的峰值响应度高达0.15A/W。30个周

期的MQW提高了吸收效率，这是导致光电探测器具有高响应度的原因。通过1/f噪声

-1111

拟合，计算得到噪声等效功率(NEP)低至1.14×10W，归一化探测率(D*)高达2.77×10

0.5-1

cm·Hz·W，表明所设计的InGaN/GaNMQW光电探测器具有极高的灵敏度。

4、为研究In组分变化对InGaN/GaNMQW光电探测器光电性能的影响，分别设计

并制备了三种不同In组分的InGaN/GaNMQW光电探测器，其In组分分别为0.16、

0.18、0.2。通过光电特性测试表明：光电探测器的In组分越大，PL发射峰随光功率的