AlGaN紫外量子能量轉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。鑒于當前人們的社會需求正向環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事監(jiān)測、光電對抗等諸多領域擴散，亟待開發(fā)以量子能量轉換為基礎的半導體短波長、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，具有直接帶隙可調范圍廣、結構穩(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換光電子器件的材料基礎。本論文針對AlGaN半導體光電子器件亟待解決的問題，圍繞AlGaN材料展開新原理、新功能的量子結構及性能設計;在掌握材料結構和性能內在聯(lián)系的基礎上，實現(xiàn)高效可控的紫外量子能量轉換光電器件。主要從理論設計、材料外延、結構表征、器件制備、機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側向傳播的TM波激發(fā)金屬Al納米薄層/半導

3、體界面并產生量子化SPP，再經(jīng)界面接觸處SPP的電子、空穴對輻射復合，將能量轉換回傳播方向各異的光子，達到改變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/半導體SPP光學色散特性表明，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，得益于Al/GaN界面體系SPP量子能量的有效耦合光轉換。當增大AlGaN量子結構組

4、分，減短波長至282 nm時，正面出射光強更加顯著。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納米點陣產生的LSP量子與紫外TE波、TM波進行更有效地耦合。運用電子束傾斜沉積技術，在基片上自下而上地形成顆粒

5、尺寸、密度可調的金屬Al納米點陣，并將其應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;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共振模分別對應于實際觀測的EL增強比出現(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，當從正面收集紫外出射光時，LSP共振模Ⅰ上頂角場強最強，模Ⅱ和Ⅲ依次減弱，與實驗觀測到正面出射的EL增強比譜線完全吻合;當從器件的背面收集時，模Ⅱ同時耦合TE波和TM波的場強最強。進一步提高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、射光增強至沉積前的2.75倍。
　　對于光轉為電的能量轉換過程來說，首次設計制備了吸收呈固有窄帶特征，且可高效將深紫外光子轉換成電子的基于量子態(tài)工程的深紫外光電探測器。運用第一性原理贗勢法模擬構建疊層的二維量子結構，深入分析其電子結構和光吸收性質;并結合帶邊激子躍遷行為，從理論上預測了超短周期AlN/GaN超晶格結構的固有吸收窄帶、可調控深紫外波長及電子隧穿輸運特性。運用MOVPE技術輔以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單原子層的技術難題。進一步地，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