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[ 半导体发光与探测 ]
半导体发光与探测

以发展新型、高效、环境友好的半导体发光与探测材料和器件为目标,开展宽禁带Ⅱ-ⅥZnO基、GaN基半导体的发光、激光与光电探测材料、器件以及光电激发过程与能量转换过程研究,突破制约其发展的核心问题;开展InGaAs短波红外波段光电探测器材料、器件及物理过程研究;开展高端CMOS传感器研究。

1.宽禁带II族氧化物紫外发光与激光

半导体材料研究的突破整体上推动了近现代社会科技的进步。而带宽度大于2.2eV的第三代半导体具有更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力等优越特性,代表着半导体科技的未来。在光电子领域,GaN365bet注册网址365bet官方直营基蓝光高效发光二极管技术的突破使白光二极管技术走向成熟,由此开辟了人类照明的高效节能新时代。目前,由于高效短波光源在高精度激光加工、生物、医疗、环保等国民经济各领域的重要应用前景,开发短波深紫外发光及激光二极管成为第三代半导体光电材料发展的前沿课题。

对于深紫外波段发光和激光二极管的开发,GaNZnO均具有较宽禁带宽度(~ 3.4 eV),即对应着365 nm附近的近紫外发光,因而是很好的候选材料。在分别掺入AlMg后,这两种半导体材料(AlxGa1-x NMgxZn1-xO)的带隙可进一步加宽到接近AlN 6.2 eVMgO7.8 eV但是,两种材料一直存在着P型掺杂难题,即缺乏高效P型材料导致高效PN结发光二级管难以制备。

GaNZnO基半导体P型掺杂难题的根源在于其特殊的电子能带结构,即较低的价带顶和导带底。这导致材料掺杂后,电子的施主能级一般较浅,容易激活形成N型载流子;空穴的受主能级多数较深,很难激活形成有效的P型载流子。并且,由于N型施主活跃,很容易补偿破坏掉材料中形成的P型受主。早在60年代,科研人员在GaN高效PN结研究中,即遇到了其P型难于掺杂的挑战,以至于当时世界各地放弃了它的发光二极管研究。但是,日本的赤崎勇等人知难而进,经过二十余年,找到了解决其P型掺杂难题的方法,实现了高效蓝光LED,并因此获得了2014年的诺贝尔物理学奖。但是,高铝组分AlxGa1-xNZnO的价带底比GaN更低,曾经适用于GaN的简单替代掺杂模式已经失效,能否解决它们的P型掺杂难题已经成为高效深紫外波段发光和激光二极管能否实现的关键。

对这一世界性的P型掺杂难题,实验室团队取得突破性进展,提出了能够抑制施主补偿作用的复合掺杂新策略,为彻底解决宽禁带半导体的P型掺杂难题指明了方向。该团队研究发现表面极性对材料的掺杂生长有重要影响,由此提出了能够抑制施主补偿作用的P型掺杂新策略,即:通过极性表面的约束生长降低受主形成能,保持施主亚稳态来抑制施主补偿作用,之后经触发越过势垒激活为受主稳定态。该团队,以N掺杂ZnO为例,澄清了其P型电导来源,并实现了ZnO的高效电泵同质PN结发光。

基于在宽禁带半导体P型掺杂研究方向取得的突出学术成果,该团队获得了《国家自然科学二等奖》和《吉林省自然科学一等奖》各一项;团队成员分获20142015年度国家杰出青年科学基金资助。

2.面向光电成像工程应用的光电探测材料与器件

光电探测材料与器件是光电成像技术发展的基石,在国家重大战略需求中具有重要地位。根据探测材料不同,光电成像探测器可分为:基于第一代半导体Si材料的CCDCMOS探测器,主要用于可见光波段成像;以InGaAsInSbHgCdTe为代表的窄禁带第二代半导体焦平面探测器,主要用于红外波段成像;以GaNSiCZnO为代表的宽禁带第三代半导体焦平面探测器,主要用于紫外波段成像。五年中实验室面向国家重大战略需求和科学技术发展前沿,深入系统地开展了光电探测材料与器件的研究,成功研发了系列航天级Si-CMOS成像探测器、高质量紫外探测器。

(一)面向国家重大战略性需求,研发Si基高性能CMOS成像传感器

我国航天观测所需的高性能可见光图像传感器长期依赖进口,且高端芯片技术受西方国家严格封锁。即使到2016年,美国商务部的商业管制清单中依然明确把航天级响应波段300nm-900nm、像元数>2048的焦平面探测器列为禁运,这极大地制约了我国可见波段成像技术的发展。为打破技术封锁,解决我国对自主研发航天级可见光成像探测器的需求问题,实验室于2012年引进百人计划学者王欣洋研究员开展SiCMOS图像传感器的研究工作。

(二)?面向国际前沿,研制基于AlGaN、ZnMgO第三代半导体材料的日盲紫外光电探测器件

可见光成像会受太阳辐射的干扰,但由于臭氧吸收,200280nm的太阳辐射无法到达地表,这提供一个没有太阳辐射干扰的日盲紫外波段。基于第三代半导体AlGaNZnMgO等材料的日盲紫外光电探测器件具有体积小、全固态、本征日盲、能耗低、抗辐射性强等优势,在导弹告警等方面有着重要的应用。

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