高性能非晶InGaO_x薄膜紫外探测器的制备及其增益机制分析
发布时间：2020-10-17 05:51
紫外探测器因其广泛的应用而备受关注,直接宽带隙透明氧化物半导体Ga_2O_3相较于GaAlN、MgZnO和金刚石等宽禁带半导体而言,具有组分简单、物化性质稳定、拥有匹配衬底和价格低廉等优点,因而在紫外探测领域具有巨大潜力。与结晶型Ga_2O_3薄膜紫外探测器相比,非晶型Ga_2O_3薄膜紫外探测器具有制备简单、成本低、能够大规模生产、适用于柔性衬底且性能并不亚于结晶型探测器等诸多优点,未来在紫外探测领域越来越重要。未掺杂的Ga_2O_3薄膜带隙不可调制,对紫外光探测范围有限,本文采用In掺杂的手段利用磁控溅射方法制备非晶InGaO_x薄膜MSM结构紫外探测器,以期调节器件的探测范围,通过优化工艺参数来提高器件性能,并对器件的内增益机制进行了分析。以c面蓝宝石为衬底,室温下纯氩气气氛中沉积InGaO_x薄膜,研究不同工作压强对薄膜和器件性能的影响。XRD、AFM和SEM分析表明所制备的薄膜为非晶结构。所有器件都具有两个响应峰,可以实现同时对UVB和UVC的探测。压强为5 Pa时制备的器件同时获得了较大的响应度(18.059 A/W)和较快的响应速度(230μs),器件暗电流的变温I-V曲线测试说明5 Pa器件中的内增益机制为齐纳隧穿效应。由CFM表征结果可知,InGaO_x薄膜中暗电流分布不均匀,高阻区和低阻区的交替存在可能与薄膜中In、O元素的分布不均匀有关,5 Pa薄膜中高阻区较薄,因此容易发生齐纳隧穿。但5 Pa器件的暗电流较大(1.20×10~-55 A),光暗电流之比较小(2),需要进一步改善。为了降低器件暗电流,提高光暗电流之比,我们在溅射气氛中通入少量氧气来制备InGaO_x薄膜。氧气流量为1.5 sccm时,器件暗电流最低,为3.85×10~-1111 A,与未通氧器件相比,暗电流下降了6个数量级;氧流量为0.5 sccm时,器件光暗电流之比高达3937,与未通氧器件相比,光暗电流之比提升了2000倍;通氧后薄膜中氧空位浓度减少,对光生载流子的俘获作用减弱,同时肖特基势垒高度的增加导致光生电子-空穴对加速分离,响应速度大幅提升,0.5 sccm器件可达33.23μs。通氧条件下制备的器件的缺点是响应度大幅下降,0.5 sccm器件响应度仅为0.046 A/W,原因是通氧促进了In、O元素的均匀分布,电阻的不均匀性被削弱导致齐纳隧穿内增益机制消失。为了保持器件中的齐纳隧穿内增益机制,防止器件响应度下降过快,我们对5 Pa压强下制备的InGaO_x薄膜进行500℃真空退火处理,以减少进入薄膜的氧,维持薄膜中In、O元素的不均匀性。结果表明500℃真空退火前后器件的响应度基本维持不变,而氧空位的减少导致暗电流减小,光暗电流比增加,响应速度加快。我们所制备的综合性能最优器件为500℃真空退火器件,其响应度为16.458 A/W,响应时间为100μs,暗电流为1.28×10~-66 A,光暗电流比为12。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TN23
【部分图文】：
3.6-4.9 eV 之间进行调制，从而拓宽了 Ga2O3探测器外探测器国内外研究现状测器研究现状料制备工艺以及后续退火工艺的不同，将 Ga2O3紫测器和非晶 Ga2O3紫外探测器。O3紫外探测器，日本的Takayoshi Oshima等人[11]采用等离子体辅制备出(2—01)取向的β-Ga2O3并混有 -Ga2O3相的薄conductorMetal)结构的紫外探测器。如图 1.1 所示，所尖锐的吸收边，说明Ga2O3在深紫外探测领域具有偏压下，器件具有极低的暗电流，1.2nA；经过计算效率也低至 18%。
所生长的薄膜在 5.0eV左右表现出非常尖锐的吸收边，说明Ga2O3在深紫外探测领域具有巨大的潜力。如图1.2 所示，在 10V偏压下，器件具有极低的暗电流，1.2nA；经过计算，光谱响应度只有0.037A/W，量子效率也低至 18%。图 1.1 Ga2O3薄膜透射光谱（插图为带隙拟合图）同年 12 月，Takayoshi Oshima 等人[12]又采用简单的真空蒸发方法在蓝宝石衬底上制备出(100)取向的 β-Ga2O3薄膜，随后以此制备出垂直结构的肖特基光电探测器。如图1.3 所示，探测器在±3V 偏压下表现出整流特性
随后以此制备出垂直结构的肖特基光电探测器。如图1.3 所示，探测器在±3V 偏压下表现出整流特性，整流率高达 106，并且在反向偏压下，对深紫外线具有探测能力。如图 1.4 所示，在 10V 偏压下，探测器探测波长范围为 200-260 nm 之间的光时，光谱响应度高达 2.6-8.7 A/W，这些值比假设内部量子效率为 1 时得到的值都高 35-100 倍
【参考文献】
本文编号：2844377
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TN23
【部分图文】：
3.6-4.9 eV 之间进行调制，从而拓宽了 Ga2O3探测器外探测器国内外研究现状测器研究现状料制备工艺以及后续退火工艺的不同，将 Ga2O3紫测器和非晶 Ga2O3紫外探测器。O3紫外探测器，日本的Takayoshi Oshima等人[11]采用等离子体辅制备出(2—01)取向的β-Ga2O3并混有 -Ga2O3相的薄conductorMetal)结构的紫外探测器。如图 1.1 所示，所尖锐的吸收边，说明Ga2O3在深紫外探测领域具有偏压下，器件具有极低的暗电流，1.2nA；经过计算效率也低至 18%。
所生长的薄膜在 5.0eV左右表现出非常尖锐的吸收边，说明Ga2O3在深紫外探测领域具有巨大的潜力。如图1.2 所示，在 10V偏压下，器件具有极低的暗电流，1.2nA；经过计算，光谱响应度只有0.037A/W，量子效率也低至 18%。图 1.1 Ga2O3薄膜透射光谱（插图为带隙拟合图）同年 12 月，Takayoshi Oshima 等人[12]又采用简单的真空蒸发方法在蓝宝石衬底上制备出(100)取向的 β-Ga2O3薄膜，随后以此制备出垂直结构的肖特基光电探测器。如图1.3 所示，探测器在±3V 偏压下表现出整流特性
随后以此制备出垂直结构的肖特基光电探测器。如图1.3 所示，探测器在±3V 偏压下表现出整流特性，整流率高达 106，并且在反向偏压下，对深紫外线具有探测能力。如图 1.4 所示，在 10V 偏压下，探测器探测波长范围为 200-260 nm 之间的光时，光谱响应度高达 2.6-8.7 A/W，这些值比假设内部量子效率为 1 时得到的值都高 35-100 倍
【参考文献】
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1 刘志文;谷建峰;付伟佳;孙成伟;李勇;张庆瑜;;工作气压对磁控溅射ZnO薄膜结晶特性及生长行为的影响[J];物理学报;2006年10期
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2 温喜章;IGZO-TFT器件的制备工艺探索及性能优化[D];深圳大学;2016年
本文编号：2844377
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