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室温盖革模式氮化物APD低噪声单光子探测机理研究
结题报告
批准号:
U1830109
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
陈敦军
依托单位:
学科分类:
A31.NSFC-中物院联合基金
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
李倩、康健彬、董可秀、游海帆、葛梅、蔡青、汪金、杨国
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中文摘要
紫外单光子探测技术无论是在国防还是民用领域都具有迫切的重要应用。本联合基金项目主要针对发展氮化物室温低噪声单光子雪崩探测器所面临的关键科学和技术问题,重点开展氮化物半导体材料二次横向外延生长机理、位错形成与湮灭机制以及不同类型位错对载流子高场输运的影响规律等基础科学问题研究,有针对性解决对器件有重要影响的材料问题;深入研究氮化物半导体载流子碰撞电离机理和极化与能带裁剪对载流子碰撞电离的调控作用,建立适合宽带隙氮化物半导体的载流子碰撞电离模型;揭示高场下载流子的隧穿与雪崩竞争机制以及主要噪声产生的物理机制,探索实现单光子探测的物理条件,发展低噪声、高增益的氮化物雪崩探测器设计理论,解决增益受限于隧穿暗电流等关键科学问题。发展场板、斜面终端结构、低损伤刻蚀、光电化学表面钝化等关键工艺,有效抑制器件暗电流。项目立足关键科学问题和核心技术的攻关,突破氮化物半导体室温低噪声单光子探测技术。
英文摘要
UV single-photon detection technique at room temperature has very important applications in the fields of military and civilian.Facing key scientific problems and technical bottlenecks of developing low-noise and single-photon GaN-based avalanche photodiodes, we will carry out the researches on growth mechanisms and kinetics of nitride lateral epitaxial overgrown, dislocation generation and annihilation mechanisms, and effect of dislocation on carrier transport under high electric field in order to overcome the difficulties in fabricating the low-dislocation-density nitride materials. The effects of heterostructure polarization, energy-band lineup are investigated and their relations are also established. The leakage models under high electric field and physical origins of noises are studied by analyzing the tunneling and avalanche mechanisms. The key device processes including field plane, slope mesa terminal, low-damage etching, and surface passivation are developed together with innovating device design and the state-of-the-art material growth in order to break through the low-noise and single-photon detection technique.
项目针对GaN基单光子雪崩探测器所面临的关键科学与技术问题开展了系统研究。发展了基于纳米图形衬底的GaN横向外延技术,将GaN基材料位错密度降低至E6/cm2量级;成功制备出了氮化物单光子紫外雪崩光电探测器,器件雪崩增益达到2E6,单光子探测效率16%,为国内首次实现氮化物半导体单光子探测;揭示了高场下氮化物雪崩探测器的暗电流机制与预击穿机理,建立了相应的隧穿模型,并结合实验和第一性原理计算,研究了不同类型位错在低场和高场下对暗电流的贡献,发现高场下电子沿着5/7环和4芯刃位错隧穿至倍增层能导致高的隧穿暗电流,是器件提前击穿的重要原因之一。探索了极化电场和反偏电场的协同调控规律,开展了雪崩光电探测器内部电场的精细调控研究,引入极化电场后器件性能得到了明显改善,器件雪崩增益提高了50%。创新发展了一种基于异质结晶体管结构的高增益氮化物紫外光电探测器,探测器件光暗电流比达到记录高的3.0E11,紫外/可见响应抑制比高达7.54E10;开发出了氮化物雪崩探测器小角度斜台面和三台面刻蚀工艺以及光电化学刻蚀损伤修复工艺,改善了器件边缘电场的分布,降低了器件边缘提前击穿的风险,重要提升了器件的一致性和可靠性;设计了适用于GaN基APD的十纳秒脉冲门控测试电路,搭建了盖革模式门控电路单光子探测率测试系统,并实现了氮化物雪崩探测器的单光子检测。. 在国内外重要学术刊物上共发表SCI收录文章29篇;申请发明专利8项,其中4项获得授权;获得中国产学研合作创新成果一等奖1项、中国发明协会发明创新创业一等奖1项。国内国际学术会议大会报告/特邀报告6次;培养博士生3人,硕士生4人;项目组成员1人入选江苏省“333高层次人次培养工程”第二层次中青年领军人才计划,全面完成了项目所有研究内容和预期考核指标。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Different I–V Behaviors and Leakage Current Mechanisms in AlGaN Solar-Blind Ultraviolet Avalanche Photodiodes
AlGaN 日盲紫外雪崩光电二极管中不同的 I–V 行为和漏电流机制
DOI:10.1021/acsaelm.0c00415
发表时间:2020-08
期刊:ACS Applied Electronic Materials
影响因子:4.7
作者:Zhenguang Shao;Hailin Yu;Yu-Shen Liu;Xifeng Yang;Dunjun Chen;Bin Liu;Hai Lu;Rong Zhang;Youdou Zheng
通讯作者:Youdou Zheng
Enhanced Stability and Sensitivity of AlGaN/GaN-HEMTs pH Sensor by Reference Device
通过参考器件增强 AlGaN/GaN-HEMT pH 传感器的稳定性和灵敏度
DOI:10.1109/jsen.2020.3047204
发表时间:2021-04
期刊:IEEE Sensors Journal
影响因子:4.3
作者:Dong Yan;Wang Rui;Xie Zili;Liu Yanli;Lei Jianming;Guo Hui;Dai Quan;Kim Jeong-Gil;Kang Seung-Hyeon;Won Chul-Ho;Lee Jung-Hee;Chen Dunjun;Zhang Rong;Zheng Youdou
通讯作者:Zheng Youdou
A High-Performance SiO2/SiNx 1-D Photonic Crystal UV Filter Used for Solar-Blind Photodetectors
用于日盲光电探测器的高性能 SiO2/SiNx 一维光子晶体紫外线滤光片
DOI:10.1109/jphot.2019.2931374
发表时间:2019-07
期刊:IEEE Photonics Journal
影响因子:2.4
作者:Yuan Ruyue;You Haifan;Cai Qing;Dong Kexiu;Tao Tao;Liu Bin;Chen Dunjun;Zhang Rong;Zheng Youdou
通讯作者:Zheng Youdou
epsilon-Ga2O3: A Promising Candidate for High-electron-Mobility Transistors
epsilon-Ga2O3:高电子迁移率晶体管的有前途的候选者
DOI:10.1109/led.2020.2995446
发表时间:2020
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Wang Jin;Guo Hui;Zhu Cheng-Zhang;Cai Qing;Yang Guo-Feng;Xue Jun-Jun;Chen Dun-Jun;Tong Yi;Liu Bin;Lu Hai;Zhang Rong;Zheng You-Dou
通讯作者:Zheng You-Dou
Low-Voltage p-i-n GaN-Based Alpha-Particle Detector With High Energy Resolution
具有高能量分辨率的低压 p-i-n GaN α 粒子探测器
DOI:10.1109/led.2021.3124919
发表时间:2021-12
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Hou Qianyu;Cai Qing;Yang Qunsi;Shao Pengfei;Pan Danfeng;Chen Dunjun;Lu Hai;Zhang Rong;Zheng Youdou
通讯作者:Zheng Youdou
AlGaN日盲紫外单光子雪崩探测器关键技术研究
  • 批准号:
    61634002
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    270.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    陈敦军
  • 依托单位:
极化增强的AlGaN日盲雪崩光电探测器研究
  • 批准号:
    61474060
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    84.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    陈敦军
  • 依托单位:
用于饮用水监测的AlInN/GaN异质结构传感器基础研究
  • 批准号:
    61274075
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    陈敦军
  • 依托单位:
AlGaN/GaN宽禁带半导体异质结构高温性质研究
  • 批准号:
    60406002
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万元
  • 批准年份:
    2004
  • 负责人:
    陈敦军
  • 依托单位:
国内基金
海外基金