论文摘要
AlxGa1-xN的禁带宽度可以连续的从3.4eV （GaN）变化到6.2eV （AlN），对应的光波波长范围为200360nm，它是实现紫外日盲区（200280nm）光学探测的很好选择。同时GaN和AlN的导带不连续能够达到2eV，使得AlGaN/GaN量子阱结构在实现红外光电探测方面同样具有不可比拟的优势。紫外光在近地面空气中衰减较快，有效的探测距离在500m左右，红外光可对目标实行远距离识别和追踪，然而空气中该波段背景辐射强度较大。如果能够在红外波段实现远距离的目标跟踪，距离近时切换为紫外探测模式，就能够提高对目标的识别追踪效果，减小复杂的红外背景辐射的影响。更进一步，通过单个器件实现这种双色探测，两者共用一个光学系统，可以减小设备的成本和体积，扩展其应用范围。本课题的目的是在一个GaN基片上同时实现红外和紫外的双色探测，其中紫外探测通过禁带吸收实现，而红外探测则通过AlGaN/GaN超晶格的子带跃迁结构实现。我们将主要精力放在红外探测部分，因为相对于禁带间的跃迁吸收，超晶格对光子的选择吸收需要考虑势垒层厚度和势阱层厚度等因素导致的量子效应的影响，而这一切在考虑到GaN材料自身的极化现象以后将变得更为复杂。本文涉及到AlGaN/GaN超晶格光电探测研究和设计的整个体系。包括：超晶格结构的仿真设计，超晶格的MOCVD生长及材料表征，光学特性以及电学特性的测量。取得的主要成果如下：1.自定义超晶格的结构，基于SILVACO和NEXTNANO3两个软件中自洽求解薛定谔-泊松方程的功能，计算超晶格各个参数对量子阱中子带位置的影响。变化的参数包含：势阱中的掺杂浓度、势垒层厚度、势阱层厚度、势垒层Al组分、温度以及超晶格底部缓冲层的Al组分等。由于GaN基材料自身的极化现象，这些因素对超晶格能带的影响不同于普通的方形势阱。比如，我们首次提出势阱中必须高掺杂（>1019cm-3），否则各个势阱中的电子会被极化作用耗尽，从而起不到光子探测的功能；又如，势垒层的厚度也会影响严重影响势阱中子带的位置。这些现象在非极化材料中是不可想象的。2.根据仿真确定的超晶格结构，使用MOCVD设备在双面抛光蓝宝石衬底上进行外延生长，然后通过AFM，HRXRD，拉曼光谱等手段对外延结构进行表征，确定我们能够生长出高质量的超晶格结构。对HRXRD结果进行拟合发现势阱层或势垒层厚度均可以减小到1.7nm，且通过对生长配方的修改，可以控制其厚度在1nm范围内变化。3.测量超晶格的光学吸收特性。独自设计样片加工平台，制备10×5mm2的样片，并将10mm边磨成45°角的光滑斜面。发现由于蓝宝石衬底的吸收，超晶格的红外吸收波段不能大于6.15μm。与中科院上海技术物理研究所合作，测量样片的透射谱，和没有超晶格的样片透射谱相减，得到超晶格的红外吸收峰。结果显示我们成功制备吸收峰值在2.924.65μm之间的AlGaN/GaN超晶格材料。同时，光致发光能谱结果显示，紫外吸收峰值在日盲区的探测也可以实现。4.为了检测材料中AlGaN/GaN界面的缺陷情况我们提出了一种测定界面缺陷的脉冲测试方法，该方法结合仿真可以定性、定量的确定界面处陷阱的参数。这为我们以后深入分析超晶格结构的电学表现打下了坚实的基础。