石墨烯与AlGaN/GaN异质结复合结构紫外光电探测器研究

With properties of wide band gap and strong polarization, AlGaN based materials are of great potentials in UV detection. However, performances of detectors with traditional structures are limited by the poor quality of the thick AlGaN epitaxial layer and the restricted choice of Schottky metal..To break through the development bottleneck of the traditional detector structure, a new type of UV detector based on graphene and AlGaN/GaN composite structure is taken as the research object. Based on the elucidation of the physical properties of the composite system, a back-gate modulated photoconductive deep-UV detector with high responsivity, high response speed and low dark current is proposed. Specific research includes:1. Study on physical properties of graphene/AlGaN interface states and mechanism of graphene fermi surface regulation; 2. Structure design and device fabrication of graphene and AlGaN/GaN complex deep UV detectors..Through this project, it is expected to reveal the source, morphology and properties of graphene/AlGaN interface states and their effects on device performance; to clarify the regulation mechanism of graphene fermi level by back gate at the two dimensional electron gas at AlGaN/GaN interface; and to develop high performance deep UV detector with responsivity>1A/W, response speed<500μs and light/dark current ratio>100.

AlGaN基材料凭借宽带隙、强极化等优点，在紫外探测方面潜力巨大。但厚膜AlGaN材料质量和肖特基金属选择局限性等问题限制了传统主流探测器结构的发展。.本项目致力于突破当前主流探测器结构的发展瓶颈，以基于石墨烯与AlGaN/GaN复合结构的新型紫外探测器结构为研究对象，在阐明该复合系统物理性质的基础上，拟研制出高响应度、高响应速度、低暗电流的背栅调控光导型深紫外探测器。具体研究内容包括：1、石墨烯/AlGaN界面态特性及石墨烯费米面调控机制等物理问题研究；2、石墨烯与AlGaN/GaN复合结构深紫外探测器结构设计和器件制备。.通过本项目，预期揭示石墨烯/AlGaN界面态的来源、形态、性质及其对器件性能的影响；阐明AlGaN/GaN界面二维电子气处背栅对石墨烯费米面的调控规律；在此基础上研制出响应度>1A/W、响应速度<500μs、光/暗电流比>100的高性能深紫外探测器。

波长在200-300 nm 的“日盲”紫外探测技术在紫外制导、地面短距离保密通信、电晕检测、生物分析等领域具有重要的应用。第三代宽禁带半导体材料带隙宽度与紫外光子能量相当，天然适合紫外探测。其中，氮化物材料击穿电场高、极化效应强、耐热和耐腐蚀性好，室温禁带宽度可通过改变合金组分调控，尤其Al 组分在25%以上的AlGaN，对应于日盲紫外波段，在深紫外探测方面具有巨大的应用潜力。然而，合金组分越高，氮化物材料面临由晶格失配、热失配引起的材料质量问题和由受主激活能大引起的p型掺杂效率低的问题，限制了传统氮化物紫外探测器的性能。.本项目致力于突破当前主流探测器结构的发展瓶颈，以基于石墨烯与氮化物复合结构的新型紫外探测器结构为研究对象，在阐明该复合系统物理性质的基础上，研制出高响应度、高响应速度的光导型深紫外探测器。主要研究内容包括：1、石墨烯/氮化物界面态特性及石墨烯费米面调控机制等物理问题研究；2、石墨烯与AlGaN/GaN复合结构深紫外探测器结构设计、器件制备和性能表征；3、石墨烯与氮化物量子点复合结构探测器设计、制备和性能表征。获得的重要研究成果包括：1、明确石墨烯与氮化物界面态特性、背栅对石墨烯费米面及暗电流调控机制、及势垒局域、量子点局域、缺陷态局域等载流子局域方式诱导的光电流增益机制；2、研制出石墨烯/AlGaN/GaN双异质结紫外探测器结构，在261nm波长下响应度达10^5A/W，最小可探测光功率为149pW，响应速度为ms量级；3、研制出石墨烯/InGaN量子点复合光电探测器，在450nm波长下响应度达10^9A/W，最小可探测光功率达fW量级。该项目的研究成果为紫外弱光信号的高灵敏探测提供了新的思路。