AlGaN紫外量子能量轉(zhuǎn)換材料及其光電子器件.pdf

1、隨著信息化社會(huì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)信息存儲(chǔ)容量和傳遞速率的要求日益提高。光子作為信息傳遞的載體，通過(guò)與電子間的能量轉(zhuǎn)換，能夠很好地實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和交換;而具有全新物理原理的量子器件，更能滿足光電器件高度集成的發(fā)展需求。鑒于當(dāng)前人們的社會(huì)需求正向環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事監(jiān)測(cè)、光電對(duì)抗等諸多領(lǐng)域擴(kuò)散，亟待開(kāi)發(fā)以量子能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體短波長(zhǎng)、紫外及深紫外光電子器件。AlGaN材料作為Ⅲ族氮化物體系的成員之一，具有直接帶隙可調(diào)范圍廣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

2、性好及臨界擊穿電壓高等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是制備紫外乃至深紫外量子能量轉(zhuǎn)換光電子器件的材料基礎(chǔ)。本論文針對(duì)AlGaN半導(dǎo)體光電子器件亟待解決的問(wèn)題，圍繞AlGaN材料展開(kāi)新原理、新功能的量子結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì);在掌握材料結(jié)構(gòu)和性能內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效可控的紫外量子能量轉(zhuǎn)換光電器件。主要從理論設(shè)計(jì)、材料外延、結(jié)構(gòu)表征、器件制備、機(jī)制探索方面展開(kāi)研究，具體研究工作如下:
　　首次提出了利用紫外LED側(cè)向傳播的TM波激發(fā)金屬Al納米薄層/半導(dǎo)

3、體界面并產(chǎn)生量子化SPP，再經(jīng)界面接觸處SPP的電子、空穴對(duì)輻射復(fù)合，將能量轉(zhuǎn)換回傳播方向各異的光子，達(dá)到改變AlGaN紫外LED光傳播方向的效果，提高了器件正面的光抽取效率。光致發(fā)光觀測(cè)及計(jì)算的金屬/半導(dǎo)體SPP光學(xué)色散特性表明，與沉積Al氧化納米薄層及相同厚度的金屬Ni、Ag納米薄層的紫外LED比較，沉積了Al納米薄層后紫外LED的出射光成倍地增強(qiáng)，得益于Al/GaN界面體系SPP量子能量的有效耦合光轉(zhuǎn)換。當(dāng)增大AlGaN量子結(jié)構(gòu)組

4、分，減短波長(zhǎng)至282 nm時(shí)，正面出射光強(qiáng)更加顯著。通過(guò)室溫和低溫的陰極熒光譜觀測(cè)可知，金屬Al納米薄層對(duì)紫外LED的內(nèi)量子效率并無(wú)任何影響。從根本上表明，利用量子化SPP與紫外光子間的能量轉(zhuǎn)換，有利于克服紫外LED光發(fā)射的各向異性，改變紫外光子的傳播方向。
　　基于量子化SPP與TM波的耦合過(guò)程，首次提出了利用金屬Al納米點(diǎn)陣產(chǎn)生的LSP量子與紫外TE波、TM波進(jìn)行更有效地耦合。運(yùn)用電子束傾斜沉積技術(shù)，在基片上自下而上地形成顆粒

5、尺寸、密度可調(diào)的金屬Al納米點(diǎn)陣，并將其應(yīng)用到具有良好歐姆接觸的紫外LED器件上，以考察電致發(fā)光變化。EL譜顯示，LSP耦合的紫外LED出射光較先前SPP的更強(qiáng);但器件正面觀測(cè)的光譜與背面的有顯著不同。正面收集的EL增強(qiáng)比，隨波長(zhǎng)減短而迅速增大，分別在波長(zhǎng)268 nm、285 nm及350nm附近出現(xiàn)峰值;背面收集的EL增強(qiáng)比譜線較為對(duì)稱，最高值出現(xiàn)在波長(zhǎng)291 nm處，同時(shí)在350 nm-400 nm波段的EL增強(qiáng)顯著。FDTD計(jì)算表

6、明，包裹了3 nm厚Al2O3的Al納米立方體的3個(gè)LSP共振模分別對(duì)應(yīng)于實(shí)際觀測(cè)的EL增強(qiáng)比出現(xiàn)的譜峰。綜合考慮了TE波、TM波與Al納米點(diǎn)陣耦合所形成的LSP后，當(dāng)從正面收集紫外出射光時(shí)，LSP共振模Ⅰ上頂角場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，模Ⅱ和Ⅲ依次減弱，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到正面出射的EL增強(qiáng)比譜線完全吻合;當(dāng)從器件的背面收集時(shí)，模Ⅱ同時(shí)耦合TE波和TM波的場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)。進(jìn)一步提高Al納米點(diǎn)陣模Ⅱ波長(zhǎng)與深紫外LED發(fā)光主波長(zhǎng)的匹配度，優(yōu)化深紫外LED的有源層背面出

7、射光增強(qiáng)至沉積前的2.75倍。
　　對(duì)于光轉(zhuǎn)為電的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)說(shuō)，首次設(shè)計(jì)制備了吸收呈固有窄帶特征，且可高效將深紫外光子轉(zhuǎn)換成電子的基于量子態(tài)工程的深紫外光電探測(cè)器。運(yùn)用第一性原理贗勢(shì)法模擬構(gòu)建疊層的二維量子結(jié)構(gòu)，深入分析其電子結(jié)構(gòu)和光吸收性質(zhì);并結(jié)合帶邊激子躍遷行為，從理論上預(yù)測(cè)了超短周期AlN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的固有吸收窄帶、可調(diào)控深紫外波長(zhǎng)及電子隧穿輸運(yùn)特性。運(yùn)用MOVPE技術(shù)輔以RSM、高分辨XRD及高分辨TEM等表征手

8、段發(fā)現(xiàn)，所外延生長(zhǎng)的超短周期AlN/GaN超晶格界面平整陡峭、周期性理想、晶體質(zhì)量較高，甚至實(shí)現(xiàn)了薄至單個(gè)原子層的外延控制，解決了目前國(guó)際上利用MOVPE制備GaN單原子層的技術(shù)難題。進(jìn)一步地，通過(guò)光刻、電子束蒸發(fā)及剝離等微加工工藝，制備了基于超短周期AlN/GaN超晶格的MSM光電探測(cè)器。器件表現(xiàn)出顯著的窄帶特征，半高寬最窄可至210meV;改變阱寬，可調(diào)控深紫外探測(cè)波長(zhǎng)從230nm延伸至266nm;減薄壘厚，可有效增大光電流。40V