高性能六方氮化硼日盲探测器的研究

Hexagonal boron nitride (hBN) is a kind of synthesized direct-gap semiconductor. The bandgap and intrinsic absorption edge of hBN are 5.97eV and 207.5nm respectively. hBN has vey high absorption coefficient, thermal conductivity, electrical resistivity, dielectric strength, thermal and chemical stability and radiation hardness, so hBN is an ideal candidate material for solor-blind photodectors. In this project, an improved solution growth technique will be used for synthesizing high-purity and large-size hBN single crystals under atmosphere and high temperatue, and liquid phase epitaxy will be used to growth lager-area and high-quality hBN epitaxial layers on graphite substrates. Besed on the synthesized hBN single crystals and epitaxial layers, high-performance solor-blind photodectros will be manufactured. We haven't found any reports about solor-blind photodectros based on hBN single crystals and epitaxial layers prepared by the liquid phase epitaxy. Because the lattice of the graphene matches that of hBN very well, the graphene transparent electrodes will be deposited on the hBN photodetctors to increase the illumination area. In order to manufacture hBN photodiodes, the in-situ doping and PN juntion of hBN crystals and epitaxial layers will be also researched. These investigations haven't been found in any reports yet. This project not only can enrich the family of solor-blind photodectors and boost the development of solor-blind photodectors, but also will lay a solid foundation for the wide applictions of hBN as the photoelectric function material.

六方氮化硼（hBN）是人工合成的直接带隙半导体材料，禁带宽度高达5.97eV，本征吸收限约为207.5nm，有很高的带边吸收系数、热导率、电阻率和本征击穿电场，有极高的热稳定性和化学稳定性，抗高能粒子辐射能力强，是制作日盲探测器的理想材料。本项目拟采用改进的溶液生长技术，在高温常压条件下合成高纯度、大尺寸hBN单晶，用液相外延技术在石墨衬底上制备大面积、高质量hBN外延层，并分别以hBN单晶和外延层为基底，研制高性能日盲探测器。基于hBN单晶和液相生长的外延层制作日盲探测器的报道目前尚未见到。由于hBN与石墨烯晶格十分匹配，探测器拟采用石墨烯透明电极以增大光照面积。为了研制PN结型hBN日盲探测器，研究内容还包括hBN单晶和外延层的原位掺杂和PN结制备等，这些研究也未见报道。本项目的开展不仅会丰富日盲探测器体系，促进日盲探测器的发展，还将为hBN在光电功能材料领域中的广泛应用奠定坚实基础。

六方氮化硼(hBN)是人工合成的宽禁带半导体材料，禁带宽度高达6.0eV，且具有优异的物理和化学性质，是制作日盲探测器的理想材料。目前，hBN日盲探测器的研究还不成熟，主要障碍是难于获得高质量大面积hBN材料。本项目利用溶液生长技术制备出高质量的hBN单晶材料，最大晶粒尺寸约为200μm，但不平整，不适于平面工艺。利用射频磁控溅射技术，在硅、蓝宝石、石英等衬底上上成功制备出晶相很纯的BN薄膜，解决了薄膜化学计量比偏移导致薄膜稳定性不佳的问题。hBN薄膜的本征吸收边约为210nm，光学带隙约为6.0eV，吸收边附件的吸收系数高达500000/cm。基于该hBN薄膜研制出日盲探测器原型，探测器的截止波长为240nm，30V偏压下测得200nm纳米处的响应度为10mA/W，器件实际的最大响应度应该高于测量值，探测器的暗电流密度约为2nA/cm^2。此外，将hBN薄膜作为插入层，获得了紫外增强型硅光电探测器，由于hBN对深紫外光的强烈吸收，使得硅光电探测器在深紫外波段的响应度显著提升。应用双靶共溅射和混合靶溅射法，获得了Zn和Mg掺杂的P型hBN薄膜，空穴浓度达到10^15cm^-3。利用高温LPCVD法在蓝宝石衬底上制备出高质量hBN外延薄膜，通过在1650℃下高温热退火，hBN薄膜质量得到显著提升，(002)晶面衍射峰半峰宽仅为0.3°，Raman振动峰位与单晶一致，半峰宽仅为17cm^-1。通过两步法生长还制备出2英寸hBN外延薄膜。此外，应用反应磁控溅射方法，制备出高质量的氮化镁薄膜。提出来一种具有掩埋式MSM插值电极的光电探测器结构，并通过研制出第一只氮化镁光电探测器，证明了这种结构对提升探测器性能的可行性。