高Al组分AlGaN宽禁带半导体量子结构及其光探测器件的基础研究

本项目以发展高Al组分AlGaN宽禁带半导体新型量子结构、改善材料和相应光探测器件性能为目标，通过对高Al组分氮化物半导体的生长机理和动力学行为、极化效应、载流子的离化和补偿机制等材料物理问题的深入研究，采用复合缓冲层、脉冲掺杂等多种创新性的材料生长方法和工艺，重点解决高Al组分氮化物半导体的大失配外延生长和p型掺杂问题，提高材料的晶体质量、电学和光学性能；针对光探测器应用，研究高Al组分量子结构的能带剪裁和性能调控方法，探索其光生载流子的跃迁和输运规律，解决高Al组分氮化物半导体的器件工艺问题。最终将在相关材料和器件理论方面获得突破，揭示其内在物理规律，并获得高质量高Al组分AlGaN外延结构、高性能太阳光盲紫外探测器件、以及利用其子带跃迁机制工作的具有双色探测功能的原型器件。

宽禁带III族氮化物半导体中的AlxGa1-xN材料，随带宽可以通过调节Al组分从3.4eV一直连续变化到6.2 eV，覆盖日盲波段，特别适合制备新一代高性能紫外光电探测器件。围绕着高Al组分氮化物半导体量子结构材料和器件相关基础科学技术问题，课题组通过深入开展相关研究，取得如下主要成果：.1. 系统研究了高Al组分AlGaN材料的外延生长动力学行为和应力控制方法，通过发展新型的高温AlN缓冲层技术，有效克服了AlGaN材料外延生长中由于张应力积累而导致的薄膜破裂问题；通过外延生长条件的优化，显著提高了AlGaN外延材料的晶体质量和p型掺杂效率。.2. 系统开展了AlGaN基超晶格量子结构的设计与外延生长研究，观察到了由失配应力而导致的异质界面组分牵引现象；实现了日盲波段的高反射率无应变InAlN/AlGaN布拉格反射镜结构，和子层周期控制在1 nm量级的AlN/GaN子带跃迁结构。.3. 通过GaN同质外延生长研究，获得了位错密度在106 cm-2的低缺陷密度GaN外延材料，并藉此首先研制出MSM结构GaN紫外雪崩光电探测器；该探测器是迄今为止国际上报道的芯片尺寸最大（1×0.4 mm2）的GaN基雪崩光电探测器。相应工作得到国际主流技术媒体“Semiconductor Today”的长文专题报道。.4. 在AlGaN基日盲紫外探测器领域取得重要研究进展：在国际上报道了芯片尺寸最大（5×5 mm2）、暗电流密度最低（20伏偏压下暗电流3.2×10−12 A/cm2）的AlGaN基MSM结构日盲深紫外探测器；实现了高量子效率（>60%）、高日盲/紫外抑制比的AlGaN基PIN结构日盲深紫外探测器。相应工作得到国际主流技术媒体“Semiconductor Today”和“Compound Semiconductors”的长文专题报道。.5. 通过优化结构设计和发展新型的台面刻蚀工艺，在国际上首先实现了SAM结构AlGaN基PIN日盲深紫外雪崩光电探测器，其雪崩增益因子（>104）为现有报道的最高值；在国内首先实现了SiC紫外单光子探测器。.到项目执行结束，项目团队已发表SCI学术论文51篇，国际会议论文15篇，并应邀在国际会议上做特邀报告5次；申请国家发明专利15项，获得专利授权5项；团队成员获教育部技术发明一等奖1项；课题负责人入选教育部长江特聘教授。