Ga2O3纳米结构材料及其紫外探测器的制备研究

• 作 者: 伍锦捷
• 机 构: 深圳大学
• 出 处: 深圳大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 脉冲激光沉积 水热法 Au诱导催化 Ga₂O₃纳米线 Ga<s

Ga2O3薄膜晶体由于高温生长引进了大量缺陷导致其紫外探测器件的响应度不高,而一维纳米材料具有的比表面积大、散射作用强以及纳米材料本身存在的内建电场等优势,可以有利于提高紫外探测器件的光电流、响应度等参量,近年来受到人们广泛的关注。从报道结果来看,Ga2O3纳米材料主要是通过化学气相沉积（CVD）的方法获得,该方法一般要求生长温度较高,从而限制了应用;溶液法具有工艺简单、成本低等特点,但重复性、可控性较差;而脉冲激光沉积（PLD）方法可以实现低温生长,但用来制备纳米结构对生长条件要求相对苛刻,所以关于Ga2O3纳米结构材料的研究还存在许多问题。因此,本文的主旨是利用PLD法和溶液法开展研究,以期制备出形貌良好的Ga2O3纳米材料和性能优异的紫外探测器件。本论文首先利用PLD法实现了Ga2O3纳米棒和纳米线的制备,通过调节腔内气压和Ar气体流量等实验条件进行纳米结构的形貌控制研究,并且成功制备出Ga2O3纳米结构的MSM型紫外探测器件;其次,利用溶液法生长Ga2O3纳米棒阵列,通过调节退火温度等实验条件来进行纳米棒形貌的控制,开展了基于溶液法制备Ga2O3纳米棒阵列的MSM型紫外探测器件的研究。取得主要结果如下:（1）利用PLD的方法、在低氧气压强的条件下,在c-Al2O3（0001）衬底上成功制备出Ga2O3纳米棒结构,在此基础上设计制备了纳米棒结构的MSM型紫外探测器件,在氧气压强为5×10-2 Pa条件下获得的纳米棒由于比表面积更大、散射能力更强,其对应的紫外探测器件获得了较高的光响应（在外加25 V的偏压下,对235 nm日盲紫外光的响应峰值为23.1 A/W）;通过加入Ar气调节压强,改变反应粒子的能量,可以获得不同尺寸的Ga2O3纳米棒,在气压为0.11 Pa条件下获得的纳米棒密度较大,对应的器件在外置25 V的偏压下对230 nm的响应峰值达到42.68 A/W。（2）开展了利用Au纳米颗粒作为晶种层诱导生长Ga2O3纳米线的研究,通过改变蒸镀的Au层的厚度（1 nm、3 nm、5 nm、10 nm）,使得纳米线的成核点的直径和密度发生改变,从而达到对纳米线形貌的控制;通过调节真空腔内Ar气流量的变化,使得腔内气压的变化,可以获得不同尺寸或不同密度的纳米线,并且随着Ar气流量的增大,纳米线的直径和密度呈现增大的趋势,利用Ga2O3纳米线制备了紫外探测器件,器件的响应度最高为5.12 m A/W,暗电流最小可以达到1.1×10-9 A,光暗电流比最大为30。（3）利用水热法获得Ga OOH纳米棒阵列,将其放置在退火炉中进行退火处理,从而获得Ga2O3纳米棒阵列,发现样品在500℃、600℃退火条件下获得的晶相转化为α-Ga2O3,而在700℃、800℃、900℃、1000℃退火条件下获得的晶相则是β-Ga2O3,并且退火后的纳米棒均为四棱柱形状,棱柱表面出现很多纳米颗粒;探究了水热法制备Ga2O3纳米棒紫外探测器件的性能,发现600℃退火得到的晶相为α-Ga2O3,其探测器响应度为0.4 m A/W,光暗电流比仅为2;而800℃的晶相则为β-Ga2O3,其响应度达到2.7 m A/W,光暗电流比提高到40。