基于ZnO/Ga2O3核壳微米结构单光子雪崩二极管日盲探测器的研制

Solar-blind (200-280 nm) photodetectors, which utilize the “black background” on Earth, have a large number of applications in civil and military, including missile warning, fire alarms and short-range communication. Single-photon detection is a technology which can detect the extremely weak light. Single-photon detection in solar-blind wavelength can greatly enhance the detection range, which is of great importance in national defense. For the advantage of large avalanche gain, high detection efficiency, fast response speed, small in size and low power consumption, avalanche is the best choice to fabricate the single-photon detector. Presently, the study of avalanche photodetection in solar-blind is mainly the AlGaN based photodetector in a PIN film structure, which still exist the problems of high defect density and the lack of stabilization and efficient P-type doping. Focusing on those problems, a highly crystallized ZnO-Ga2O3 core-shell microwire will be utilized to fabricate the heterojunction avalanche photodiode in the proposed project. To get an avalanche photodiode in a high avalanche gain, the relationship between the avalanche gain of the APD device and the size of the core and shell will be studied. The fabricated APD will be modulated in the Geiger mode to detect the single-photon signals in solar-blind wavelength.

日盲（200-280 nm）探测器由于在地表无背景辐射等优点，在导弹尾焰预警、火焰检测、短波长通信等军事和民用领域有很多应用。单光子探测是一种对极微弱光的探测技术，在日盲波段实现单光子的探测将极大的提高可探测距离，在国防领域具有重大意义。雪崩二极管以其雪崩增益大、探测效率高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，是制备单光子探测器的最佳器件。日盲波段雪崩探测器的研究主要为AlGaN薄膜材料PIN结构探测器，但是还存在着层间缺陷密度高，高效稳定的P型掺杂难以解决的问题。针对上述问题，本项目采用基于高结晶质量的ZnO-Ga2O3核壳结构微米线来制备异质结雪崩二极管（APD），通过调控核层和壳层尺寸的研究其对器件的雪崩倍增因子和雪崩击穿电压的影响，制备出具有高雪崩倍增因子的APD，并研究其在盖革模式下对日盲波段单光子的探测。

日盲（200-280 nm）探测器由于在地表无背景辐射等自然光源的干扰，具有极高的灵敏度，由于导弹尾焰是日盲辐射的发射源，也可以用日盲探测器进行近地面导弹预警与跟踪。单光子探测是一种对极微弱光的探测技术，在日盲波段实现单光子的探测将极大的提高可探测距离，在国防领域具有重大意义。雪崩二极管以其雪崩增益大、探测效率高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，是制备单光子探测器的最佳器件。针对上述问题，本项目采用一步CVD升温法制备高结晶质量的ZnO-Ga2O3核壳结构微米线，并基于单根的ZnO-Ga2O3核壳结构微米线来制备了高性能的异质结雪崩型日盲探测器。通过控制反应物配比、生长条件等参数制备了不同氧化镓壳层厚度的ZnO-Ga2O3核壳结构微米线，当壳层厚度为0.5 μm时，器件能够在较低电压下产生雪崩击穿，-5 V下日盲波段光响应高达6个数量级以上，雪崩倍增因子在5个数量级以上，可以达到单光子探测的倍增系数的要求。针对该核壳微米结构难以与MEMS技术相结合，提出了采用原子层沉积（ALD）技术来制备高结晶质量的ZnO-Ga2O3异质结构薄膜，并与MEMS技术相结合来制备雪崩型日盲探测器.针对目前实验室现有国产ALD设备沉积速度极慢，且无镓源等问题，申请采购了一台国外著名ALD生产厂商beneq公司的STFS200设备，目前设备正在组装和调试中。在MEMS器件研制方面，基于MEMS技术制备了高性能的热导检测器，该检测器的最低检测限可以达到5 ppm，为目前公开报道的最低值。采用跨微纳集成技术与MEMS技术相结合的方式，通过构筑硅纳米线阵列和介孔硅提高了富集器的富集率。