第三代半导体紫外探测材料及器件关键技术

国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项

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       针对我国在量子信息、深空探测和国防预警等领域重大需求,围绕第三代半导体紫外探测材料及器件关键科学技术问题开展攻关研究,本项目通过创新研究,旨在突破现有的宽禁带半导体材料和器件制备方面的技术瓶颈,实现高性能雪崩光电探测器及成像阵列。主要创新点如下:

1.        针对高晶体质量的高Al组分AlGaN材料制备困难这一技术瓶颈,基于缺陷的产生和湮灭机理研究,提出AlN/蓝宝石模板的迁移增强及中高温生长复合控制的MOCVD外延生长方法,并结合纳米图形化AlN模板的类横向外延和渐变超晶格插入等技术进行位错过滤和应力调控,有效降低材料缺陷密度。

2.        为了进一步降低SiC外延材料缺陷密度,发展SiC外延材料的缺陷无损分类表征方法,研究台阶流生长模式SiC外延过程中衬底缺陷延伸进入外延层的机理,通过生长合适厚度和掺杂浓度的缓冲层促进基平面位错向刃位错的转化,有效降低对器件雪崩过程影响较大的高危缺陷。针对SiC紫外单光子探测器外延材料的界面精准控制难点,通过研究气源在水平式外延炉中耗尽分布随工艺条件的变化规律,利用中断生长原位刻蚀技术降低记忆效应,解决多层SiC外延材料界面不清晰问题。

3.        针对高Al组分AlGaN材料的p型掺杂难题,提出低维补偿结构的In辅助Mg脉冲掺杂与超晶格调制掺杂相结合方法:利用In表面活性剂提高有效V/III比,抑制施主型缺陷-氮空位的产生,增强受主杂质Mg的并入效率;在Mg脉冲掺杂面自形成能带调制结构,降低Mg元素离化能;进一步与超晶格调制掺杂协同作用,通过增强极化效应,有效提高离化效率,实现高效p型掺杂。

4.        针对宽禁带III族氮化物半导体电子/空穴雪崩离化率相近导致APD在线性工作模式下噪音偏高的问题,提出充分利用氮化物半导体异质结特性,发展极化和能带工程的协同调控方法;通过异质结构设计,在APD倍增区引入有利于增强载流子离化率的极化电场和提高两种载流子离化率比值的界面势垒,实现高增益、低噪音的AlGaN日盲紫外APD

5.        提出开展等离激元增强宽禁带半导体雪崩器件和大带阶的超晶格雪崩倍增器件等新结构APD研究方向,揭示等离激元产生的局部场增强及散射效应对雪崩光电探测器件雪崩过程的影响机理、高场强下载流子在大带阶超晶格中的输运规律和单极离化碰撞理论,为发展高性能宽禁带半导体雪崩光电探测器提供新型结构设计方案。

6.        针对宽禁带半导体临界击穿电场高、器件提前击穿和高场下漏电流偏大等关键问题,提出借鉴宽禁带半导体功率电子器件终端结构的设计和制备经验,发展结终端扩展(JTE)、场板与大角度倾斜台面相结合的终端结构技术来实现电场的横向均匀分布,并利用低能Ar离子注入形成非晶化高阻SiC表面层来抑制SiC APD器件表面漏电流,有效提高APD器件的综合性能和可靠性。

7.        针对APD单光子探测阵列噪声大和动态范围小的突出问题,发展新型光子计数阵列读出电路:通过分析盖格模式SiC APD阵列串扰信号时间渡越特性,采用精确的时间反相关符合计数方法,降低单光子探测阵列串扰噪声;并且发展双端APD偏置电压补偿技术,抑制APD阵列增益波动噪声;结合动态自适应计数方法,实现宽动态低噪声单光子探测阵列。

8.        针对光子计数激光成像噪声干扰难题,依托项目团队自主研制APD器件的优势,提出将被动抑制电阻植入SiC APD芯片内部,结合外电路,发展被动/主动抑制相组合的雪崩快速淬灭技术,实现低噪声、高计数率紫外单光子探测,并且利用日盲紫外低背景噪声优势,发展全天候的紫外成像元器件。

 


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