[00770965]高灵敏III族氮化物半导体紫外探测技术

高灵敏度紫外光电探测器是国防预警与跟踪、环境监测、电力工业、生化和生命科学领域所急需的关键部件，具有极大的应用潜力.以III族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于工作于紫外波段的光探测器件，具有显著的材料性能优势.其中III族氮化物中的AlxGa1-xN材料随Al组分的变化其带隙在3.4~6.2 eV之间改变，对应波长变化范围为200~365nm，覆盖了大气臭氧层吸收光谱区，特别适合制备新一代高性能日盲深紫外探测器. 该项成果完成单位南京大学是中国最早进入III族氮化物半导体紫外探测器件研究的单位之一，先后研制了GaN、AlGaN日盲等光电导型、肖特基型、MSM型、PIN型紫外光电探测器和多种雪崩紫外光电探测器，其中吸收/倍增分离的AlGaN日盲紫外雪崩光电探测器的雪崩增益等性能参数为国际上最好的报道值.该项研究始于1998年，项目组在III族氮化物半导体紫外探测材料结构设计和生长、器件工艺探索和实现、传感系统研制和应用等多个方面开展了系统的创新研究，取得丰硕成果，主要包括: (1)III族氮化物半导体紫外探测材料生长方面，提出新的复合缓冲层结构和制备工艺，实现了高Al组分AlGaN材料的无裂纹生长，晶体结构达到器件研制要求;系统发展了RCE共振腔增强型紫外探测器材料的参数设计和制备方法，国际上率先研制出高性能RCE共振腔增强型紫外探测器件，峰值位于313nm的反射镜峰值反射率达到93%，峰值位于日盲紫外波段的反射镜峰值反射率也大于80%.(2)III族氮化物半导体紫外探测器件研制方面，系统研究了器件结构和加工工艺，提出了利用III族氮化物半导体固有的强极化效应加速分离光生载流子，从而大幅度延长光生载流子寿命，并使电子在二维电子气中运动，实现超高迁移率，最终大大增加光电增益.同时，课题组在日盲紫外探测器的结构设计中，巧妙利用III族氮化物半导体的极化场，在倍增层内引入与外电场方向相同的极化电场，该极化电场有利于提高倍增层内总的离化电场，可明显降低APD雪崩击穿时的外加电压和表面漏电流，有助于提高APD雪崩倍增因子.采用这一技术的日盲紫外探测器件的雪崩增益已超过10000. (3)器件应用方面，课题组重点研究了紫外光电探测技术在水质实时监测方面的应用，特别是利用有机污染物的紫外指纹光谱进行分析检测的方法和技术，借助于超低能耗的紫外LED，课题组研制了全自动操作、与数据处理中心保持全时联网、工作条件可通过手机等移动平台设置、无附加污染、易维护、便携式的的水质长年实时全自动测报系统，实现了对大量有机污染物进行污情实时监测预报.已实际应用于多个水质监测场所.上述成果共形成17项发明专利，其中10项专利已获得授权.近三年来，课题组还发表了一系列高水平论文，得到国际同行的高度评价和大量引用.