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近年来,Ⅲ族氮化物材料越来越受到人们的关注。由于Ⅲ族氮化物为直接带隙半导体材料,且具有独特的光电特性和优异的物理、化学特性使其在蓝、绿光发光二极管(LEDs)、紫外探测器(UC Photodetectors)和太阳能电池(Solar Cells)等光电器件中有广阔的应用前景。目前,基于GaN及其化合物的LED器件已经实现了商业化。AlGaN合金半导体材料在许多领域有广泛的用途,其中很重要的是在紫外探测器领域的应用,如可以用在火焰和热传感器,导弹尾焰探测和卫星间通信等领域。改变Al的组分可以调节AlGaN的带隙宽度从3.4eV到6.2eV,对应的波长范围从365nm到200mn,覆盖了光谱中重要的紫外区。
随着氮化物材料和光电器件研究的进展,垂直微腔发光和探测器件成为研究热点。本文首先从理论上系统地研究了Bragg反射镜、垂直微腔结构和微腔器件的主要特性,然后制备了由AlGaN/AlN DBR组成的共振腔增强型紫外光电探测器。取得的主要研究结果如下:
1、针对AlGaN基的紫外RCE探测器,进行了具体的结构设计、参数提取、以及光量子效率谱模拟。对中心波长为330nm的AlGaN基RCE探测器的结构进行了理论设计。根据计算,我们所设计的RCE结构在中心波长330nm处的量子效率达到83.2%,反射率为12.9%。同时我们对所设计的RCE腔的各项主要性能参数进行了计算,计算结果显示腔的自由光谱范围为FSR=18.89 nm,腔精细度F=5.77,共振模的光谱线宽δλ=3.27 nm。
2、用MOCVD生长了用于RCE探测器的由两个Al0.3Ga0.7N/AlN DBR组成的全氮化物微腔结构,对外延片的光学测试表明:反射谱的下降中心正好落在DBR中心波长330nm处,实现了腔模与两个DBR中心波长的良好匹配。实测反射谱和模拟反射谱的峰谷基本可以对应起来。实测反射谱在中心波长330nm处的反射率(27.3%)高于模拟值(12.9%),这是由于材料折射率数值不准确,生长的厚度也有偏差。由于330nm处RCE的实测反射率为27.3%,而20.5对DBR的模拟中心反射率为86.8%,可以推测在330nm处该RCE结构的吸收率不超过59.5%。
3、制备了AlGaN基RCE pin类型探测器件,实现了光响应在~330nm的选择增强。特别是实现了RCE pin PD的零偏探测,其零偏光响应为0.128 A/W(330nm),量子效率达到48%。实测量子效率谱的峰位和模拟值基本吻合。由于在材料的表面、界面和内部存在杂质和缺陷,导致光生载流子会发生再复合,所以实测量子效率谱值的大小要明显小于模拟计算值。对探测器的Ⅰ-Ⅴ特性测试表明其开启电压约为2.6V(对应开启电流1mA),在反向电压为5V的情况下器件的漏电流仍无明显增加,器件表现出良好的pn结特性。
4、测试了RCE探测器在不同光入射角下的响应谱,响应峰随入射角增加发生蓝移。随着入射角度从0°到60°改变,中心峰位向左移动了15nm。这表明对于我们制备的探测器,调节光的入射角度可以实现探测波长的调节。