GaN基MSM结构紫外光探测器

在蓝宝石(0001)衬底上采用低压金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaN外延层, 以此为材料, 制作了暗电流很小的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外光探测器. 测量了该紫外光探测器的暗电流和360 nm波长光照下的光电流曲线、光响应曲线和响应度随偏压变化的曲线. 该紫外光探测器在5 V偏压时暗电流为1.03 nA, 在10 V偏压时暗电流为15.3 nA. 在15 V偏压下该紫外光探测器在366 nm波长处的响应度达到0.166 A/W, 在365 nm波长左右有陡峭的截止边. 从0~15 V, 该紫外光探测器在360 nm波长处的响应度随着偏压的增加而增大. 详细地分析了该紫外光探测器的暗电流、光电流、响应度随偏压变化的关系.     

GaN金属-半导体-金属紫外光电探测器的研制

用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上制备了GaN单晶薄膜,并对样品进行X射线衍射和光致发光谱测量.利用GaN样品成功地制备了金属-半导体-金属(MSM)结构GaN紫外光电探测器,并对其I-V特性、光谱响应及击穿电压等性能进行测试和分析.结果表明,探测器在-5 V偏压下的光电流与暗电流之比大于400倍;探测器光响应在352 nm附近达到响应峰值,并在364 nm附近出现截止,即具备可见盲特性;器件的光响应度最好达0.21A/W.     

基于Pt电极的TiO2紫外探测器研究

针对宽禁带半导体紫外探测器响应不够灵敏和响应度偏低等问题,将具有高功函数的Pt电极引入TiO₂紫外探测器,采用溶胶凝胶法制备了纳米TiO₂薄膜。以金属Pt为电极,采用磁控溅射的方法,将Pt电极溅射在TiO₂纳米薄膜上,制作了MSM (Metal Semiconductor Metal)型紫外探测器件。在5 V偏压下,探测器的暗电流为4.5 nA,260 nm波长光照下的光电流为5.7 μA。在260 nm的紫外光照射下,探测器的响应度达到最大值,约为447A/W,与其他紫外探测器（200 A/W左右）的响应度均值相比有了很大的提升。最后,设计外围电路,制作出功能完整的紫外强度测试仪。实验表明,该探测器成功地解决了传统宽禁带半导体紫外探测器灵敏度及响应度偏低等问题。     

利用MOCVD在Si衬底上制备立方相Mg_(0.25)Zn_(0.75)O薄膜及日盲探测器

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在Si衬底上实现了立方结构的Mg0.25Zn0.75O薄膜生长。在此基础上,实现了Mg0.25Zn0.75O/n-Si异质结型日盲紫外探测器。该探测器在-5 V偏压下,器件暗电流为0.02 m A。在0 V偏压下的峰值响应位于大约280 nm处,响应度为1.2 m A/W。     

高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器

以碳化硅(SiC)和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第三代半导体材料,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.宽禁带半导体紫外探测器的主要应用包括:国防预警、环境监测、化工和生化反应的光谱分析和过程检测、以及天文研究等.本文主要回顾近年来南京大学在此方面开展的一些代表工作,所涉及到的典型器件有:具有极低暗电流的AlGaN基日盲MSM紫外探测器、高量子效率AlGaN基日盲雪崩光电探测器、以及SiC基可见光盲紫外单光子探测器.     

离子注入减小条形射线探测器表面漏电的研究

选择高阻N型〈10 0〉单晶硅材料 ,X射线探测器为PIN管结构 .为了减少器件表面缺陷对暗电流的影响 ,在器件P区的两侧使用离子注入形成浅层低浓度N区 ,以减小器件的暗电流 .通过对比实验发现 ,当N区的注量增大时 ,在相同反向偏压条件下 ,器件的暗电流密度随之减小 ,同时击穿电压也相应减小 .为了减小器件的工作电压并进一步减小工作时的暗电流密度 ,还将器件的背面进行厚度减薄、抛光和AuSb/Au合金形成欧姆接触 .对减薄后的器件进行I V特性测量 ,由于工作电压大幅降低 ,器件正常工作时的暗电流密度大幅度减小 .同时在实验中发现温度对暗电流的影响非常大 ,将器件温度降低到 - 15℃时 ,暗电流密度可降低到 1nA·mm- 2 以下 .     

GaN基带电粒子探测器能谱测量的改进研究

分析了GaN和Si两种不同探测器的电荷灵敏前置放大器增益,修正了GaN基带电粒子探测器能谱的放大倍数。利用~(241)Am和~(239)Pu两种α粒子源标定了能量与道指的关系,获得了能量刻度曲线方程。根据标定的曲线方程,测量了修正前后的GaN基pin探测器~(241)Am源的能谱。修正后的测量结果表明,当反向偏压为-10 V时,5.48 MeV的~(241)Am源在GaN基pin探测器里沉积的能量约为620 keV。     

碳化硅紫外探测器的研究

采用宽禁带半导体n-4H-SiC和金属Au作肖特基接触，TiNiAg合金作背底形成欧姆接触，研制出Au／n-4H-SiC肖特基紫外探测器．测试分析了该器件的光谱响应特性：响应范围为200～400nm之间；在室温无偏压下，响应峰值在310nm处，响应半宽为85nm．同时测试分析了该器件的I-V特性：在室温下，正向开启电压为0．8V，反向击穿电压大于200V，反向漏电流小于10^-10A；工作温度大于250℃．实验表明，Au／n-4H—SiC肖特基紫外探测器具有很好的紫外响应特性和很低的反向漏电流．     

高性能金刚石辐射探测器的研制与测试

设计了长×宽×高为4.5 mm×4.5 mm×500μm的金刚石辐射探测器.通过在金刚石/Al面形成肖特基势垒优化探测器性能,对其电特性(暗电流、电荷收集率)和探测特性(能量分辨率)进行测试.结果表明,电荷收集率最优为96.9%;暗电流随外加偏压的增加而增加,在偏压100 V以内小于0.1 nA;能量分辨率在偏压为380 V时最优,为2.82%.金刚石/Al面形成的肖特基势垒不仅降低了暗电流,还使辐射探测器的能量分辨率有很大改善.     

电极间距对BeMgZnO薄膜光电探测器性能的影响

通过脉冲激光沉积的方法在c面蓝宝石衬底上制备Be和Mg共掺的Be MgZnO四元合金薄膜.表征测试结果表明,所得薄膜为沿c轴外延生长、具有纤锌矿结构的高质量薄膜,其具有比纯Zn O明显更大的带隙(4. 3 e V).在此薄膜表面分别蒸镀间距为10μm和100μm的平行Au电极,得到电极间距不同的两种Be MgZnO基光电探测器.通过I-V,I-t测试,系统研究电极间距对光电探测器性能的影响,结果表明:当Be MgZnO光电探测器的电极间距较小时(10μm),其暗电流更大,光电流更小,响应速度更快.这些信息可为高性能光电探测器的设计提供有益参考.     

GaN基p-i-n型紫外探测器光生载流子屏蔽效应模型

通过求解光生载流子连续性方程,得出GaN基p-i-n型紫外探测器耗尽层中的光生载流子密度分布.根据泊松方程计算了光生载流子屏蔽电场,并通过数值计算方法将光生载流子屏蔽电场引入器件模型,建立了光生载流子屏蔽效应模型.在此基础上,讨论了光生载流子屏蔽效应对p-i-n型探测器耗尽区光生载流子密度分布的影响,并分析了外加偏压、入射光功率以及载流子寿命对光生载流子屏蔽效应模型的影响.结果表明光生载流子屏蔽效应对器件性能的影响是非单调的,且通过调节外置偏压可以得到最大载流子漂移速度和最小器件响应时间.     

悬空型、半透明面电极热电探测器的分析

本文在考虑表面和体内共同吸收的情况下,用一维热扩散模型推出了悬空型、半透明面电极热电探测器响应率(?)的表达式,并计算了TGS热电探测器的?和NEP的数值。本文指出: (1)悬空型、半透明面电极热电探测器具有最佳响应率厚度,对较高工作频率,器件还具有最佳NEP厚度。两种最佳厚度可根据本文导出的响应率公式和已知的噪声公式计算出来。(2)在某些波段,如果能把材料的吸收系数提高到5×10~4cm~(-1)以上,就可研制性能优良的半透明面电极薄膜器件。     

石墨烯场效应晶体管的光响应特性研究

采用电子束曝光和剥离工艺制备石墨烯场效应晶体管, 并研究其光电响应特性。结果表明, 当激光光斑(波长为633 nm)照射在金属电极边缘的石墨烯沟道时, 可测得明显的光电流。背栅电压能够有效调制光电响应, 可以改变光电流的大小和方向。在背栅调控下, 光电流出现饱和现象, 石墨烯晶体管的光响应度最大达到46.5 μA /W,可用于构建基于石墨烯的新型光探测器。     

Si基单片集成850nm光接收芯片研究

设计并制备了一种Si基单片集成850nm光接收芯片,包括"P+/N-EPI/BN+"结构的光电探测器(PD)、跨阻前置放大电路及其后续处理电路。分析了PD的结构,并对其光谱响应及频率响应进行模拟,在2.0V偏压下,PD在850nm的响应度为0.131A/W,截止频率为400 MHz。采用0.5μm BCD(bipolar、CMOS和DMOS)工艺流片,光接收芯片面积约为900μm×1 100μm。测试结果表明,PD暗电流为pA量级,响应度为0.12A/W。光接收芯片在155 Mb/s速率及误码率(BER)小于10-9情况下,灵敏度为-12.0dBm;在622 Mb/s速率及BER小于10-9情况下,灵敏度为-10.0dBm,并能得到清晰的眼图。将该光接收芯片封装后接入光接收模块,进行点对点光互联实验,获得很好的光信号通路。     

穿通增强型硅光电晶体管的结构及参数优化

为克服各种常用光电探测器件的缺点, 对穿通增强型硅光电晶体管进行了结构优化和参数优化。将窄基区穿通晶体管仅在一侧与宽基区光电晶体管复合的传统结构, 改进为窄基区穿通晶体管在中间, 两侧各复合一个长度减半的宽基区光电晶体管。同时, 对不同窄基区宽度下的暗电流、 光生电流及光电响应率等随偏压变化的电学性能和光电转换特性进行仿真, 得到窄基区宽度最优参数。然后对优化后的器件在不同光强下的光生电流和光电响应率随偏压的变化进行了仿真, 分析了器件在不同光强下的响应特性。结果表明, 当窄基区宽度为0.6 μm时, 器件性能折中达到最优, 在0.5 V偏压下, 器件暗电流仅为1 μA;入射光功率密度为10^-7 W/cm²时, 器件响应率高达4×10⁶ A/W。     

SOI基锗共振腔增强型光电探测器的制作与性能测试

在超高真空化学气相沉积设备上,利用低温生长的硅锗和锗作为缓冲层,在SOI衬底上成功外延出高质量的锗薄膜.基于谐振腔增强型探测器(RCE)理论,模拟优化了有源层和上下反射层的厚度尺寸.传输矩阵方法计算结果显示:将SOI衬底自有二氧化硅、硅层作为一对下反射层的情况下,取2对SiO_2/Ta_2O_5作为上反射层时,量子效率可以达到接近56%.制作的SOI基锗光电探测器,暗电流密度为0.65 m A·cm~(-2).在8 V的偏压下,探测器在1 550 nm处响应度1.45 m A·W~(-1),可以观察到探测器的共振现象.     

零偏压下近红外集成单波长波导光探测器

提出了一种基于InGaAsP材料的零偏压单片集成波导光探测器。该器件单片集成了光子晶体(Photonic Crystals, PC)滤波器、锥形耦合器、零偏压波导光探测器(Wave-Guide Photodetector, WGPD)以及直波导,形成了一个平面微纳光信号接收子系统。集成的波导光探测器吸收峰值波长位于1.55μm处,光谱线宽仅1.6 nm。设计的波导光探测器在无外加偏压时具有良好性能,经优化,当其面积为4μm×15μm时其3 dB带宽达78 GHz@0 V,响应度为0.78 A/W。整个器件基于组分可调的InGaAsP材料,实现多功能器件的单片集成,具有高性能、小体积、低功耗、窄线宽等特性。     

Au/n-ZnO/p-SiC紫外探测器的研制和特性分析

采用宽禁带半导体n-ZnO和金属Au作肖特基接触,n-ZnO和同为宽禁带半导体p-SiC形成异质结,Ti,Ni,Ag合金作背底形成欧姆接触,研制出Au/n-ZnO/p-SiC结构的紫外探测器.测试分析了该器件的光谱响应特性,响应范围为200～400nm,在室温和一定反偏压下,响应峰值为313nm,半宽为65nm.同时测试分析了该器件的I-V特性,室温下,反向工作电压大于5V,反向击穿电压为70V.实验表明,此结构紫外探测器具有良好的紫外响应特性以及较低的反向漏电流和结电容.     

杂原子掺杂石墨烯的制备及其光电转换性能研究

报道一种在离子液体辅助条件下通过小分子热分解聚合法制备硼掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯的新方法.在对抽制备的石墨烯材料的形貌、光学性质、电学性质及半导体类型进行表征的基础上,进一步研究用电沉积方法组装的石墨烯光电极薄膜在光化学电池和固态光伏器件中的光电转换性能.实验结果表明,文中合成的掺杂石墨烯具有良好的光电转换性能,其中以硼掺杂石墨烯和氮掺杂石墨烯的复合薄膜最佳,其光电化学电池的光电流达到(4.69±0.05)×10~(-5)A/cm~2,其固体器件的光电流响应为(5.38±0.38)×10~(-6)A/cm~2.     

长波和甚长波及其双色InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的研究进展

本文报道了基于InAs/GaSb二类超晶格实现长波、甚长波及窄带长波/甚长波双色红外探测器的研究,生长的材料具有极高的材料质量.长波探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为9.6μm,峰值响应为3.2 A/W,峰值量子效率为51.6%;甚长波红外探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为14.5μm,量子效率为14%,热噪声限制的探测率为4.3×109 cm Hz1/2 W-1.通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器两端器件,偏压小于0 V时在长波区工作,偏压大于40 mV时,在甚长波区工作.具体来说,偏压为-0.1 V时,器件光响应50%截止波长为10μm;而偏压为40 mV时,器件光响应50%截止波长为16μm.对于长波光响应,δλ/λ为44%,对于甚长波响应,δλ/λ为46%.甚长波对长波的串音为9.9%,长波对甚长波的串音为11.8%.