半绝缘氮化镓体单晶声表面波器件及其紫外响应机理研究

GaN based materials are potential for fabrication devices which can integrate multifunction including wireless remote communication, sensor and amplifier in one chip due to their advantageous photoelectric and piezoelectric properties. But the large insertion loss and slow UV photoresponse rate of surface acoustic wave (SAW) devices based on GaN which can realize sensing and remote communication functions are the restriction factors of the development of such integrated devices. It has been verified that the background carriers and photo-generated carriers are the key factors which influence the performance of the SAW devices based on GaN. However, the impact of free carrier of GaN and the surface depletion region caused by surface band bending on the acousto-electric interaction is not clear. Given the above situation, SAW devices will be fabricated and investigated based on GaN single crystals with low dislocation concentrations and different carrier densities. Combined with the surface potential characterized by Kelvin probe method, the impacts of the free carriers and the surface depletion region of GaN on the SAW device performance and the acousto-electric interaction will be studied. Further, the UV photoresponse of semi-insulating GaN based SAW device will be investigated with characterizations of the photoconductivity and surface photo-voltage, to find the rule and the mechanism of influences of photo-generated carriers on the UV detection sensitivity and rate. The related research results are helpful to the development of GaN based SAW device with high-performances and the related applications.

氮化镓基宽禁带半导体以其优异的光电和压电特性有望实现集信号放大、传感、无线通讯等功能于同一芯片的集成器件。目前可用于实现无线通讯和紫外传感功能的氮化镓声表面波器件由于存在插入损耗大、紫外响应速度迟缓的问题，制约了此类集成器件的发展。研究表明本底载流子及光生载流子与声表面波伴随的压电电场之间的声电作用是影响氮化镓基声表面波器件性能的关键因素，但其中关于载流子以及由于表面能带弯曲引起的表面耗尽区对声电作用的影响规律目前尚不明确。针对上述问题，本项目拟基于低位错密度、不同载流子浓度的氮化镓体单晶制备声表面波器件，结合开尔文探针方法对表面电势的表征，研究本底载流子和表面耗尽区对声电作用的影响规律；进一步表征半绝缘氮化镓声表面波器件的紫外响应特性，结合光电导和表面光电压的测量，研究光生载流子对紫外探测灵敏度和响应速度的影响规律和物理机制。相关研究结果有助于氮化物半导体声表面波器件的改进和应用开发。

声表面波器件是利用固体中的声表面波实现微波信号处理的器件，在无线通讯和传感器领域有着广泛的应用。以 GaN、AlN 为代表的 III-族氮化物宽禁带半导体材料同时具有优良的光电特性和声学特性， 有望实现集电、光、力传感及无线传输于一体、工作于极端环境中的新型声表面波微波器件。本项目本基于氢化物气相外延（HVPE）方法生长的高质量 GaN、AlN 外延单晶材料， 开展了相关的声表面波基本特性研究以及在紫外探、温度传感等方面的应用探索。主要内容包括：.1. Fe掺杂半绝缘GaN 基声表面波器件的紫外光电响应特性研究。实验发现基于 Fe掺杂高阻 GaN 厚膜衬底的声表面波器件的频率变化和衰减率对紫外光照的响应非常灵敏，然而该声表面波器件的光响应特性受到 GaN 材料持续光电导的影响，导致基于该衬底的声表面波器件的传输参数在光照关闭之后较长时间才能恢复到光照前的状态。进一步分析表明 Fe 掺杂 GaN 材料具有较低的载流子浓度和厚度可达数微米的表面耗尽区，使得声表面波的位移场最强的区域处于耗尽区。当紫外光照射 GaN 表面时，耗尽区中的大量光生载流子对声表面波电场形成屏蔽作用，从而使得声表面波产生较强的衰减。.2.我们在AlN/sapphire衬底材料上设计和制作了单端口表面声子晶体谐振器。单端口表面声子晶体谐振器有两个共振模式。根据有限元分析模拟的结果，这两个共振模式可能是因为单端口表面声子晶体谐振器的双谐振腔结构。由于单端口表面声子晶体谐振器表现出了双共振模式的特点。我们提出了同时使用两个共振频率的差频制作温度传感器的方案。该温度传感器的最终的的温度系数为-99.3ppm/K，是单端口谐振器的温度系数的两倍。.3. 我们提出了AlN/sapphire各向异性的声表面波双延迟线温度传感器的模型，并理论研究、计算了该温度传感器的温度系数。我们设计、制作了一个响应中心频率为352.72HMHz，品质因数约为2841的声表面波延迟线型振荡器。结果显示，利用声表面波延迟线在这两个晶向的响应中心频率的差频，AlN/sapphire各向异性的双延迟线声表面波传感器有望可以实现高灵敏的温度探测。