AlGaN紫外量子能量轉(zhuǎn)換材料及其光電子器件.pdf

1、隨著信息化社會的迅速發(fā)展，人們對信息存儲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，通過與電子間的能量轉(zhuǎn)換，能夠很好地實現(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)前人們的社會需求正向環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事監(jiān)測、光電對抗等諸多領(lǐng)域擴(kuò)散，亟待開發(fā)以量子能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體短波長、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特的優(yōu)勢，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AlGaN半導(dǎo)體光電子器件亟待解決的問題，圍繞AlGaN材料展開新原理、新功能的量子結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計;在掌握材料結(jié)構(gòu)和性能內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，實現(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、材料外延、結(jié)構(gòu)表征、器件制備、機(jī)制探索方面展開研究，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)光觀測及計算的金屬/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，減短波長至282 nm時，正面出射光強(qiáng)更加顯著。通過室溫和低溫的陰極熒光譜觀測可知，金屬Al納米薄層對紫外LED的內(nèi)量子效率并無任何影響。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波的耦合過程，首次提出了利用金屬Al納米點陣產(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，隨波長減短而迅速增大，分別在波長268 nm、285 nm及350nm附近出現(xiàn)峰值;背面收集的EL增強(qiáng)比譜線較為對稱，最高值出現(xiàn)在波長291 nm處，同時在350 nm-400 nm波段的EL增強(qiáng)顯著。FDTD計算表

6、明，包裹了3 nm厚Al2O3的Al納米立方體的3個LSP共振模分別對應(yīng)于實際觀測的EL增強(qiáng)比出現(xiàn)的譜峰。綜合考慮了TE波、TM波與Al納米點陣耦合所形成的LSP后，當(dāng)從正面收集紫外出射光時，LSP共振模Ⅰ上頂角場強(qiáng)最強(qiáng)，模Ⅱ和Ⅲ依次減弱，與實驗觀測到正面出射的EL增強(qiáng)比譜線完全吻合;當(dāng)從器件的背面收集時，模Ⅱ同時耦合TE波和TM波的場強(qiáng)最強(qiáng)。進(jìn)一步提高Al納米點陣模Ⅱ波長與深紫外LED發(fā)光主波長的匹配度，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。
　　對于光轉(zhuǎn)為電的能量轉(zhuǎn)換過程來說，首次設(shè)計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器。運(yùn)用第一性原理贗勢法模擬構(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，甚至實現(xiàn)了薄至單個原子層的外延控制，解決了目前國際上利用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)控深紫外探測波長從230nm延伸至266nm;減薄壘厚，可有效增大光電流。40V