PLD法制备Ga2O3薄膜材料及其紫外光响应特性研究

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近五十年来,基于薄膜半导体材料的光电探测器因其体积小、成本低、功耗低等优点,逐渐替代真空光电管成为当前的主流研究热点。相较于MgZnO、AlGaN和金刚石等其它宽带隙薄膜材料,Ga2O3薄膜对紫外光比较敏感,对日盲紫外光(220-280 nm)响应度高,是制备高性能日盲紫外探测器的理想材料之一。但是,Ga2O3日盲紫外探测器也存在一些问题,例如暗电流高,信噪比低,响应和恢复速度慢等,限制了其在商业等领域的应用。因此,进一步降低Ga2O3紫外探测器的暗电流和提高器件信噪比成为本论文研究的重点。本论文主要内容是利用脉冲激光沉积(PLD)方法,在制备Ga2O3薄膜的过程中,通过降低生长温度,在β-Ga2O3薄膜中生长(400)β-Ga2O3和引入α-Ga2O3三种方法降低Ga2O3紫外探测器的暗电流,提高器件的信噪比和响应恢复速度,并找出相对合理的解释方法,主要研究结果如下:(1)利用PLD方法在c面蓝宝石衬底上制备Ga2O3薄膜,通过改变生长温度研究结晶质量对Ga2O3薄膜结晶特性及Ga2O3紫外探测器紫外光响应特性的影响。随着生长温度的降低,Ga2O3薄膜从结晶态向非晶态变化,紫外吸收边向长波方向移动。同时随着生长温度的降低,Ga2O3紫外探测器暗电流从5.6×10-77 A降低到3.2×10-1111 A,器件的信噪比从230上升到14000。其中,对于450℃生长的非晶态Ga2O3薄膜上制备的紫外探测器,由于器件在紫外光照射下光生载流子的多级隧穿引入了高增益,该器件在25V偏压下对240 nm紫外光响应度高达318 A/W。(2)利用PLD方法在c面蓝宝石衬底上制备Ga2O3薄膜,通过改变生长氧压研究混合取向Ga2O3薄膜的生长及Ga2O3紫外探测器紫外光响应特性。随着生长氧压从0.5 Pa增大到2 Pa,反应原子迁移能降低,β-Ga2O3薄膜中出现了较多的(400)β-Ga2O3,当氧压超过2 Pa,β-Ga2O3薄膜呈多取向生长。随着生长氧压增大,β-Ga2O3薄膜禁带宽度增大,紫外吸收边蓝移。同时氧压升高(<sub>2<sub>01)β-Ga2O3薄膜出现其他取向β-Ga2O3时,Ga2O3紫外探测器在25 V偏压下响应度从17.7 A/W降低到0.03 A/W,器件的暗电流从3.63μA降低到0.9 nA。其中,对于2 Pa氧压生长的Ga2O3薄膜上制备的紫外探测器,由于β-Ga2O3薄膜中同时存在(400)β-Ga2O3和(<sub>2<sub>01)β-Ga2O3,Ga2O3紫外探测的信号噪声比高达2.3×103,同时器件响应和恢复时间最快,τr=0.29μs、τd1=0.07 ms和τd2=0.21 ms。(3)利用PLD方法在a面蓝宝石衬底上制备Ga2O3薄膜,研究改变生长氧压对Ga2O3薄膜晶体结构及Ga2O3紫外探测器紫外光响应特性的影响。在氧压较高时(>2 Pa),制备的Ga2O3薄膜呈现单一β相结构;而在较低的氧压下制备的Ga2O3薄膜中除了β相还出现了α相结构,并随着生长氧压降低,Ga2O3薄膜中α-Ga2O3逐渐增多。对于利用混合结构的Ga2O3薄膜制备的紫外探测器,由于β-Ga2O3薄膜中引入适量的α-Ga2O3,紫外光响应度明显高于单相β-Ga2O3器件,在1 Pa氧压下制备的Ga2O3紫外探测器,由于β-Ga2O3薄膜中引入适量的α-Ga2O3,在25 V偏压下对260 nm紫外光响应度高达12 A/W。
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