氧化镓基日盲紫外光电探测器研究

发布时间：2020-04-20 00:01

【摘要】：紫外(UV)光电探测技术在民用和军事等众多领域具有广泛的应用,比如生物/化学分析、火焰传感、保密通信、导弹跟踪和环境监测等。由于大气中臭氧层和水蒸气颗粒物对深紫外光具有极强的吸收和散射作用,使得波长短于280nm的太阳辐射无法穿透大气层,在地球表面的辐射几乎为零,因此这一波段的光被称为日盲光。由于日盲光的自然背景低,在此光谱范围内工作的光电探测器具有背景噪声低和虚警率低等优点。然而,目前商用的日盲光电探测器通常是体积庞大并且易碎的光电倍增管,需要外加大的偏置电压,这就限制了它在很多方面的使用。宽禁带(WBG)半导体有许多优点,如高辐射强度和本征日盲光谱选择性等,这为开发高性能宽禁带半导体基日盲光电探测器提供了可能,宽禁带日盲光电探测器被认为是光电倍增管的潜在替代品。近年来,已经有各种各样的宽禁带半导体被用于研究设计日盲光电探测器,其中包括Al_xGa_(1-x)-x N,Zn_xMg_(1-x)-x O,氧化镓(Ga_2O_3)和金刚石等。其中Ga_2O_3的禁带宽度通常在4.4~5.1 eV之间,对应的吸收截止波长约为250~280 nm,可以用于制备具有本征日盲选择性的紫外探测器。然而目前制备的氧化镓探测器还存在响应度低、响应速度慢等缺点,制约了氧化镓在光电探测领域的应用。本论文针对此问题展开研究,以制备高性能氧化镓日盲紫外探测器为研究目标,取得的主要研究结果归纳如下:(1)提出利用金刚石/Ga_2O_3异质结构建自驱动日盲紫外探测器:使用微波等离子体化学气相沉积合成的高质量金刚石单晶片上利用等离子体化学气相沉积技术沉积Ga_2O_3薄膜,构建了金刚石/Ga_2O_3异质结器件。器件具有明显的整流特性,并可以在无需任何外部电源供电情况下实现对光信号的探测。在零偏压下,光谱响应峰值位于244 nm,响应度约为0.2 mA W~(-1);紫外/可见抑制比超过两个数量级;截止波长为270 nm,表明光电探测器具有良好的日盲光谱选择性。作为自驱动器件,在零偏压下表现出良好的可重复性和周期稳定性。利用此器件作为成像系统的感光元件,在无外加偏压下获得了高质量的日盲成像。(2)构建Ga_2O_3阵列探测器件,实现日盲光二维阵列成像。利用等离子体化学气相沉积技术,制备大面积均匀的Ga_2O_3薄膜,并利用紫外光刻技术制作4×4光电探测器阵列。其中,每个探测器单元为一个MSM结构的Ga_2O_3探测器。在10 V电压下,单个光电探测器的暗电流低于4.0×10~(-10)A,响应峰位于256 nm,峰值响应度约为1.2 A W~(-1)。器件紫外/可见光抑制比超过4个数量级,截止波长位于265 nm,表明此光电探测器对日盲光具有高的光谱选择性。此外,阵列器件的16个光电探测器单元的光电性能具有较好的一致性和稳定性。利用此光电探测器阵列作为感光元件搭建了日盲光成像系统,获得了清晰的二维图像。
【图文】：

示意图,晶胞,示意图,氧原子

第 1 章绪论3最为稳定，而其他晶相均为亚稳态，并且可以在温为β相。β-Ga2O3的晶体结构和晶格参数如图 1-1 所=0.3 nm，c=0.58 nm[11]。每个晶胞中包括两个具有晶其中一个是具有四面体几何 Ga（I），和另外一个原子以扭曲立方阵列排列，氧原子具有三个结晶学（I），O（II）和 O（III），其中两个氧原子为三角配位[12-15]。正是因为 Ga 和 O 原子的不同位置，导致理性质上表现出各向异性的。例如在（-201），（处的不同导热性。

宽带隙半导体,图表

使得氧化镓为本征 n 型半导体，所以 Ga2O3的电阻受周围气氛的影a2O3可作为气体探测材料[19-21]。荧光基质材料：Ga2O3可以通过掺杂 Be、Ge、Sn、S 和 Li 等元素得到绿光峰，也可以通过掺杂 N 元素获得红光发光峰，因此 Ga2O3可作为荧光料[22-24]。) 介电层和透明导电薄膜：由于本征Ga2O3为高电阻材料，，因此可以把G件的绝缘介质层，并且 Ga2O3通过掺杂可以制备导电性良好的透明导电) 深紫外光电器件：由于 Ga2O3为宽禁带直接带隙半导体材料，所以在光和深紫外探测等领域具有较好的应用潜质[26-28]。) 高功率电力电子器件：随着高铁、电动汽车以及高压电网输电系统的，世界急切需要具有更高转换效率的高压大功率电子电力器件，Ga2O件与 GaN 和 SiC 相比，导通电阻更低、功耗更小、更耐高温、能够极了高压器件工作时的电能损失，因此 Ga2O3可以作为更高效更节能的电料[29]。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN23

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