缺陷对氧化镓薄膜紫外光敏特性的影响机理研究

发布时间：2018-03-31 06:04

本文选题：beta-氧化镓　切入点：缺陷态　出处：《电子科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：由于太阳辐射中10 nm~280 nm的紫外波段很难透过大气层到达地表,因此对日盲紫外波段进行探测的技术成为了低噪声干扰、高探测率、高灵敏度的紫外辐射探测手段,在最近几十年受到了国外科研人员的高度重视。其中,基于宽禁带材料的固态日盲紫外探测器件的研制和应用最为热门。相比AlGa N、ZnMgO等材料,氧化镓天然地拥有合适的带隙宽度(约4.9 e V),从而避免了复杂的合金化工艺,能够在更低的成本与方式下制备,因此格外适用于日盲紫外探测。本文主要采用分子束外延装置在c面氧化铝衬底上外延制备beta-氧化镓薄膜,并进行包括衬底预处理、氟元素掺杂、与磁控溅射膜对比等手段对氧化镓薄膜内部的缺陷分布进行调控,在此基础上运用多种材料特性表征手段进行结构分析,最终将薄膜制备成MSM型光电探测器。通过器件光电性能的测试,并结合材料特性的研究,就氧化镓薄膜内部各种缺陷对其日盲紫外光敏特性产生的影响及其机理进行了深入探究。本文详细的探究方向大致分为如下几部分:(1)探究了不同温度的衬底真空退火预处理对beta-氧化镓薄膜结晶质量与日盲紫外光敏特性的影响。研究表明,对衬底进行高温退火预处理能够有效降低外延beta-氧化镓薄膜内部的缺陷密度,提高氧化镓薄膜材料的电导率从而使器件能够在光电流、响应度以及探测率等性能上得到显著优化。但是,电导率的提高也会导致暗电流的上升,而某些深能级缺陷的减少可能使材料内部的复合中心密度下降,进而影响到器件的恢复时间特性;(2)对beta-氧化镓薄膜氟等离子体表面处理,从而对材料表面的氧空位进行钝化,并研究对薄膜日盲紫外光敏特性的影响。研究表明,适量氟元素的掺杂能够有效降低氧化镓薄膜内部的氧空位缺陷密度,使探测器的各项性能获得显著提升;但是,过量的氟元素的掺杂会替代氧化镓晶格中的氧离子,并释放出电子,这会增加平衡载流子的数量,甚至带来氟间隙子等新的点缺陷,这反而使器件的性能(如暗电流、光电流等)产生严重的恶化现象;(3)利用磁控溅射生长具有大量缺陷(如氧空位等)的非晶氧化镓薄膜,并结合分子束外延生长的纳米晶beta-氧化镓薄膜,对比研究材料缺陷分布对日盲紫外光敏特性上的影响。研究表明,溅射制备的非晶氧化镓薄膜存在大量不同类型的缺陷,对氧化镓MSM日盲紫外探测器件的性能产生一定程度的影响。其中,基于非晶氧化镓薄膜的MSM日盲紫外探测器件由于更为显著的内部增益机制和非本征激发,而表现出更高的光响应度与探测率,而深能级缺陷相关复合中心的大量存在,则使得器件具备很短的恢复时间;但大量表面缺陷的存在却使MSM器件的金-半接触势垒更容易被隧穿,进而导致器件的暗电流过大。总的来说,虽然非晶氧化镓材料内部存在大量的不同类型缺陷,但这些缺陷并不都会对其日盲紫外探测能力造成负面的影响,相反地某些缺陷甚至能在特定的方面优化器件的性能。
[Abstract]:In this paper , the effect of vacuum annealing pretreatment on the surface of gallium oxide thin film is studied . The research shows that the amorphous gallium oxide thin film prepared by sputtering has many different types of defects , and has a certain influence on the performance of the gallium oxide MSM day - blind ultraviolet detector . However , the large number of surface defects cause the metal - semi - contact barrier of the MSM device to be more easily tunneled , and the dark current of the device is too large .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

【参考文献】