基于垂直电场分布的AlGaN/GaN/AlN双异质结紫外探测器研究

AlGaN/GaN heterostructure 2DEG-MSM UV photodetectors based on HEMT device have the advantage of high speed. However, long tail of time response due to the restriction of holes collection, affecting the performance of the device to a further level. This project will investigate AlGaN/GaN/AlN double heterostructure ultraviolet photodetectors based on vertical electric field distribution. A structure with the combination of 2DEG and 2DHG channels should be able to compensate the shortcomings of individually using each and provide a potential solution to further improve the response speed and quantum efficiency by collecting the holes in 2DHG channel. Combination of simulation and experimental results clarify the effects of charge concentration, process condition and device structure on response speed and quantum efficiency. Electrical field distribution was simulated and transport mechanisms of photogenerated carriers were analyzed in order to explain the observed phenomenon. This characteristic demonstrates the potential of the AlGaN/GaN/AlN double heterostructure ultraviolet photodetectors in the development of high-speed UV optoelectronic integrated devices.

基于HEMT器件的AlGaN/GaN异质2DEG-MSM结构紫外探测器具有响应速度快的优势，但由于该结构器件受空穴收集困难的限制，导致时间响应出现长长的拖尾现象，影响器件性能的进一步提高。本课题拟研究基于垂直电场分布的AlGaN/GaN/AlN双异质结紫外探测器，采用AlGaN/GaN/AlN 双异质结构，使器件同时具有2DEG和2DHG沟道，达到进一步提高器件响应速度和量子效率同时消除拖尾现象的目的。并通过理论模拟和实验分析相结合的方法，揭示电荷浓度、工艺条件、器件尺寸参数对响应速度和量子效率的影响规律以及双沟道之间的相互作用机理；结合模拟和实验结果澄清器件载流子的输运机制和器件内部电场分布规律，获得进一步提升器件响应速度和量子效率的途径，对更高性能紫外高速探测器的实现具有重要的指导意义。

由于AlGaN/GaN 异质结独特的优势，GaN基异质结紫外探测器被广泛研究。然而如何建立准确计算AlGaN/GaN异质结探测器的物理模型，制备高质量异质结材料，以及发展普适的异质结紫外探测器制备工艺，是设计和制备高性能异质结紫外探测器的关键。为了实现高性能GaN异质结紫外探测器，我们研究了材料的极化特性、优化探测器结构、材料外延及制备工艺等诸多问题。本项目主要取得了以下重要研究结果：（1）构建GaN基异质结极化理论模型，建立准确研究新结构器件和物理机制的完善可靠的仿真平台；（2）通过二维数值仿真，研究了掺杂浓度、掺杂分布、照射方式、异质结构等对探测器性能的影响；（3）通过改变材料制备工艺参数，实现了对外延晶体质量的调控，发展了高性能GaN基异质结紫外探测器普适制备工艺；（4）根据理论计算的结果，设计并制备了具有AlGaN/GaN异质结构的紫外探测器，实现器件性能的增强。研究结果表明，通过建立的二维数值仿真得出的理论预测，结合优化的制备方法所实现的GaN基异质结紫外探测器，获得了良好的探测器性能。研究结果初步确定了GaN基异质结紫外探测器的材料外延及制备工艺，为新型GaN基紫外探测器的开发及应用提供了必要的理论和实验基础。