氧化镓基光电探测器的研制与研究

发布时间：2020-08-17 21:05

【摘要】：近年来,Ga_2O_3作为一种新兴的宽禁带氧化物半导体材料引起了科研人员的极大兴趣。Ga_2O_3有高达4.5~5eV的直接带隙,具有较高的吸收系数;还具备稳定性好、易于制备、耐辐照等诸多优点,是一种理想的日盲紫外和高能辐射探测材料。日盲紫外探测技术具有背景噪声低和灵敏度高的独特优点,可以用于空间通信、生物医药、导弹制导及臭氧监测等领域,一直以来都是光电探测领域的研究重点;高能辐射探测在医学成像、公共场所安全检测、X射线空间通信以及物质微观结构分析等方面有着广泛而重要的应用。目前Ga_2O_3基光电探测器仍处于实验室研究阶段,离商业化尚有很长一段距离,主要存在两个关键的科学问题亟待解决:一是提升探测器的光响应度;二是加快探测器的光响应速度。此外,柔性透明电子学的迅猛发展在很大程度上推动了柔性透明光电探测器的研究。柔性器件对工艺温度要求比较苛刻(200℃),但是目前Ga_2O_3材料的生长技术(如分子束外延、脉冲激光沉积和金属有机物化学气相沉积等)基本都需要高温和高真空条件,既不利于大面积产业化应用,又不可能实现柔性器件应用,因此严重阻碍了它在柔性光电探测器领域的研究进展。基于上述问题,本论文重点从改善响应度和响应速度这两方面出发,通过器件结构设计与材料物性调控,器件的性能得到了大幅度提升;在此基础上,采用低温工艺制备出了具有良好力学鲁棒性的高性能柔性Ga_2O_3光电探测器。首先,为了提高Ga_2O_3日盲紫外光电探测器的响应度,我们借助光电子领域常用的表面等离激元(SP)共振效应。大量文献调研发现金属Ga和金属Al纳米阵列激发的SP的能量可能落在日盲紫外区。因此,我们研究了这两种金属与Ga_2O_3之间的共振耦合对光电探测器性能的重要影响。Ga纳米粒子修饰的Ga_2O_3探测器是基于Ga/Ga_2O_3纳米复合薄膜制备的,其中Ga纳米球镶嵌在Ga_2O_3基体内部、呈三维接触模式。相对于纯Ga_2O_3探测器,通过调控复合薄膜中Ga纳米球的尺度,采用SP耦合的Ga/Ga_2O_3光电探测器的响应度可获得高达220倍的增强;而Al粒子修饰的探测器则采用常规的表面点接触结构,器件的光电流获得了一个量级的增强。由此可见,SP是一种能够大幅提升Ga_2O_3基日盲紫外探测器光响应性能的有效方法。其次,我们研制了具有超快响应速度的非晶Ga_2O_3日盲紫外探测器,通过光电性能测试,结合X射线光电子能谱(XPS)表征技术,系统研究了该器件性能大幅度改善的主要机制。大量科学研究结果表明,氧化物半导体表现出的持续光电导现象与样品中的氧空位缺陷密切相关。基于这一点,我们发展了一种微氧流量调控的方法,通过在薄膜溅射生长过程中微量调节氧气流量,即可获得氧空位浓度不同的系列非晶Ga_2O_3薄膜。相应器件的光响应性能表明氧空位浓度在决定探测性能上起着至关重要的作用:当氧流量从0增加至0.14sccm时,器件在10V下的暗电流从1.97×10~(-7)A急剧下降至5.71×10~(-13)A,光响应度从91.88A/W减小到0.19A/W,器件的响应速度从1.5s提升至19.1μs。结合XPS价带谱、暗电流的拟合和ITO/Ga_2O_3界面能带结构分析,我们深入揭示了内在机理:溅射氧流量的增加不仅减少了薄膜中氧空位浓度,而且使得器件的接触势垒高度增加,从而大大提高了器件的光响应速度。基于上述非晶Ga_2O_3薄膜的低温生长工艺和氧流量调控方法,我们在柔性聚合物衬底上成功制备出快响应的柔性Ga_2O_3日盲紫外探测器。柔性器件的光电性能与刚性衬底上器件的性能基本相当,证明了非晶Ga_2O_3探测器的制备技术与柔性衬底具有很好的工艺兼容性。此外,在弯曲和疲劳测试中,柔性器件的光响应未出现明显退化,证明非晶Ga_2O_3柔性探测器具有很好的力学鲁棒性。最后,我们探索了非晶Ga_2O_3材料在柔性X射线探测器中的应用前景:通过系统研究溅射氧分压对X射线响应特性的影响,我们深入分析了其内在机制,并结合理论分析,给出了相应的物理模型。本论文的柔性非晶Ga_2O_3基X射线探测器不仅具有优异的耐高压和耐辐照特性,还表现出了良好的机械性能。综上所述,针对Ga_2O_3日盲紫外探测器,我们提升了器件的光响应度和光响应速度,并利用低温制备工艺成功研制了高机械性能的柔性非晶Ga_2O_3日盲紫外探测器。此外,我们还制备了非晶Ga_2O_3基柔性X射线探测器,证明了非晶Ga_2O_3材料优异的耐辐照特性,也为柔性X射线探测器的研制开辟了新的思路。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36
【图文】：

氧化镓,同分异构体

氧化镓基光电探测器的研制与研究2O3和 -Ga2O3共 5 种同分异构体[26]。在这些同分异构体中，所有的其他结构的 Ga2O3通过加热处理都可得到 β-Ga2O3，这五种异构体之间的转化以参照图 1.1[26]。由于 β-Ga2O3的物理和化学特性最稳定，所以是科学研究最多的氧化镓异构体形式。

射频磁控溅射,溅射

氧化镓基光电探测器的研制与研究磁控溅射方法适用于溅射任何材料，包括金属、半导体、陶瓷，其还具有工艺简单、易重复、能大面积成膜、薄膜沉积速率衬底结合好的优点。基于上述优点，射频磁控溅射方法在科学。在本论文中，Ga2O3薄膜和 ITO 电极都是采用自行搭建的射成，其实物图如图 2.1 所示。该系统的靶基距在 8cm 范围内可10-4Pa，还配有 Ar、O2和 N2三路气体。在本文中，薄膜溅射均采，在第 4 章和第 5 章 Ga2O3活性层的溅射中引入了微量氧气，

热蒸发,实物

图 2.2 热蒸发系统实物图种主要应用于冶金、电子、陶瓷、新材料定温度变化程序工作的设备。在半导体膜样品的氧化、扩散和退火处理以提高改善半导体与电极之间的接触情况。退火炉设备是合肥科晶公司的型号为图 2.3 所示。该型号的高温管式炉的炉炉塞，并通过密封法兰与外界隔绝，最度控制精度在+/-1℃，升降温速率≤10℃

【参考文献】