室温盖革模式氮化物APD低噪声单光子探测机理研究

UV single-photon detection technique at room temperature has very important applications in the fields of military and civilian.Facing key scientific problems and technical bottlenecks of developing low-noise and single-photon GaN-based avalanche photodiodes, we will carry out the researches on growth mechanisms and kinetics of nitride lateral epitaxial overgrown, dislocation generation and annihilation mechanisms, and effect of dislocation on carrier transport under high electric field in order to overcome the difficulties in fabricating the low-dislocation-density nitride materials. The effects of heterostructure polarization, energy-band lineup are investigated and their relations are also established. The leakage models under high electric field and physical origins of noises are studied by analyzing the tunneling and avalanche mechanisms. The key device processes including field plane, slope mesa terminal, low-damage etching, and surface passivation are developed together with innovating device design and the state-of-the-art material growth in order to break through the low-noise and single-photon detection technique.

紫外单光子探测技术无论是在国防还是民用领域都具有迫切的重要应用。本联合基金项目主要针对发展氮化物室温低噪声单光子雪崩探测器所面临的关键科学和技术问题，重点开展氮化物半导体材料二次横向外延生长机理、位错形成与湮灭机制以及不同类型位错对载流子高场输运的影响规律等基础科学问题研究，有针对性解决对器件有重要影响的材料问题；深入研究氮化物半导体载流子碰撞电离机理和极化与能带裁剪对载流子碰撞电离的调控作用，建立适合宽带隙氮化物半导体的载流子碰撞电离模型；揭示高场下载流子的隧穿与雪崩竞争机制以及主要噪声产生的物理机制，探索实现单光子探测的物理条件，发展低噪声、高增益的氮化物雪崩探测器设计理论，解决增益受限于隧穿暗电流等关键科学问题。发展场板、斜面终端结构、低损伤刻蚀、光电化学表面钝化等关键工艺，有效抑制器件暗电流。项目立足关键科学问题和核心技术的攻关，突破氮化物半导体室温低噪声单光子探测技术。

项目针对GaN基单光子雪崩探测器所面临的关键科学与技术问题开展了系统研究。发展了基于纳米图形衬底的GaN横向外延技术，将GaN基材料位错密度降低至E6/cm2量级；成功制备出了氮化物单光子紫外雪崩光电探测器，器件雪崩增益达到2E6，单光子探测效率16%，为国内首次实现氮化物半导体单光子探测；揭示了高场下氮化物雪崩探测器的暗电流机制与预击穿机理，建立了相应的隧穿模型，并结合实验和第一性原理计算，研究了不同类型位错在低场和高场下对暗电流的贡献，发现高场下电子沿着5/7环和4芯刃位错隧穿至倍增层能导致高的隧穿暗电流，是器件提前击穿的重要原因之一。探索了极化电场和反偏电场的协同调控规律，开展了雪崩光电探测器内部电场的精细调控研究，引入极化电场后器件性能得到了明显改善，器件雪崩增益提高了50%。创新发展了一种基于异质结晶体管结构的高增益氮化物紫外光电探测器，探测器件光暗电流比达到记录高的3.0E11，紫外/可见响应抑制比高达7.54E10；开发出了氮化物雪崩探测器小角度斜台面和三台面刻蚀工艺以及光电化学刻蚀损伤修复工艺，改善了器件边缘电场的分布，降低了器件边缘提前击穿的风险，重要提升了器件的一致性和可靠性；设计了适用于GaN基APD的十纳秒脉冲门控测试电路，搭建了盖革模式门控电路单光子探测率测试系统，并实现了氮化物雪崩探测器的单光子检测。. 在国内外重要学术刊物上共发表SCI收录文章29篇；申请发明专利8项，其中4项获得授权；获得中国产学研合作创新成果一等奖1项、中国发明协会发明创新创业一等奖1项。国内国际学术会议大会报告/特邀报告6次；培养博士生3人，硕士生4人；项目组成员1人入选江苏省“333高层次人次培养工程”第二层次中青年领军人才计划，全面完成了项目所有研究内容和预期考核指标。