新結(jié)構(gòu)GaN基p-i-n型紫外探測器及其光電特性研究.pdf

1、近年來，GaN基p-i-n型紫外探測器以其天然的日盲特性和較快的響應(yīng)速度受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。GaN基材料具有介電常數(shù)小、電子飽和速度高、禁帶寬度大等優(yōu)點，在微波功率器件、光電器件等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。p-i-n型探測器具有暗電流低、響應(yīng)速度快、零偏壓條件下可使用等優(yōu)點，在光電領(lǐng)域里占有舉足輕重的地位。本文對GaN基p-i-n型紫外探測器進行了系統(tǒng)地研究，取得的主要研究成果如下：
　　 1、作為本論文的基礎(chǔ)性工作和主要支撐工具，基

2、于半導(dǎo)體經(jīng)典物理和數(shù)值有限差分法，通過編寫Matlab程序分別實現(xiàn)了GaN基同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)能帶圖及載流子分布的數(shù)值計算。對于GaN基同質(zhì)結(jié)，通過載流子統(tǒng)計方程與泊松方程的自洽求解，得到了同質(zhì)結(jié)能帶圖和載流子分布的數(shù)值計算方法。對于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，通過數(shù)值自洽求解薛定諤一泊松方程，得到了計算異質(zhì)結(jié)能帶圖和載流子分布的數(shù)值計算方法，并深入研究了極化效應(yīng)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)能帶圖和載流子分布的影響。通過與比較成熟的基于物理模型

3、的Silvaco的仿真結(jié)果和他人計算結(jié)果的比對，證明了本文所建立數(shù)值模型的正確性。本文所建立的數(shù)值模型，既包含具體的物理意義，又能完全擺脫現(xiàn)有基于物理模型的仿真軟件的限制，可以有效地把作者的思想通過物理模型加入到數(shù)值計算中，為深入研究一些新的物理機制提供可靠的數(shù)學(xué)工具。
　　 2、基于光生載流子屏蔽效應(yīng)的物理機制，通過自洽求解泊松方程-載流子連續(xù)性方程，建立了光生屏蔽效應(yīng)和光生寄生電容的數(shù)值模型。根據(jù)這兩個模型分別計算討論了光照

4、對探測器響應(yīng)時間和截止頻率的影響，得出光生屏蔽效應(yīng)和光生寄生電容對探測器的響應(yīng)時間和截止頻率有一定微擾作用，微擾作用的大小與耗盡區(qū)靜電場、載流子壽命以及光照強度的大小有很大關(guān)系。計算結(jié)果表明，當(dāng)器件耗盡區(qū)電場小于遷移率臨界電場時，光生屏蔽電場使器件響應(yīng)時間增加，截止頻率減小，當(dāng)器件耗盡區(qū)電場大于臨界電場時，光生屏蔽電場使器件響應(yīng)時間減小，截止頻率增加；載流子壽命越大，光生屏蔽效應(yīng)對探測器響應(yīng)時間和截止頻率的影響越大。但是隨著載流子壽命增

5、加到200ps以后，這種影響逐漸達到飽和；光照強度越大，光生屏蔽效應(yīng)對探測器響應(yīng)時間和截止頻率的影響越大。但是當(dāng)光照強度小于1W/cm2時，光生屏蔽效應(yīng)對探測器響應(yīng)時間和截止頻率的影響非常小。在具體的應(yīng)用領(lǐng)域，可以通過調(diào)節(jié)外加偏置電壓調(diào)節(jié)器件耗盡區(qū)電場，使得耗盡區(qū)電場處于遷移率臨界電場附近或者遠大于臨界電場處，減小光生屏蔽效應(yīng)對器件響應(yīng)速度和截止頻率的影響；同時給探測器串聯(lián)一個fF級的微小電容可以加快器件的響應(yīng)速度，提高器件的截止頻率，

6、并且減小光生寄生電容對器件響應(yīng)速度和截止頻率的影響。
　　 3、基于極化效應(yīng)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)能帶圖的影響，設(shè)計了一種響應(yīng)波段可調(diào)且具有雙帶響應(yīng)特性的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)p-i-n型紫外探測器，采用數(shù)值計算方法模擬仿真了AlGaN層中的摻雜濃度、外加偏壓以及極化弛豫度對探測器光電響應(yīng)特性的影響。計算結(jié)果表明，在一定摻雜濃度和極化弛豫度條件下，通過調(diào)節(jié)外加偏壓可以使AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)p-i-n型紫外探測器從單帶響

7、應(yīng)轉(zhuǎn)換到雙帶響應(yīng)，且AlGaN中的Al組份越大，摻雜濃度越小，極化弛豫度越小，響應(yīng)特性發(fā)生轉(zhuǎn)換時的臨界電壓越大，并且本文根據(jù)器件內(nèi)部電荷分布得出了臨界電壓的計算表達式。此外，計算結(jié)果表明，為了減小探測器的響應(yīng)時間，必須縮短AlGaN層的厚度或加大外置電壓，盡量避免光生載流子到達電極過程中需要太長距離的擴散復(fù)合。該條件下，光生屏蔽效應(yīng)對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)p-i-n型紫外探測器響應(yīng)速度的影響也比較大。
　　 4、基于極化效應(yīng)對

8、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)能帶圖的影響，設(shè)計了一種響應(yīng)波段可調(diào)的具有三帶響應(yīng)特性的AlGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)p-p-i-n型紫外探測器，并根據(jù)以上數(shù)值計算方法，計算討論了外加偏壓、各層AlGaN摻雜濃度以及Al組份對探測器光電響應(yīng)特性的影響。計算結(jié)果表明，在Al組份和摻雜濃度條件下，受極化電荷的影響，通過調(diào)節(jié)外加偏壓可以使AlGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)p-p-i-n型紫外探測器實現(xiàn)三帶響應(yīng)，并根據(jù)器件內(nèi)部電荷分布，給出