氧化镓异质外延薄膜结构与性质的关系研究

发布时间：2017-08-26 09:35

  本文关键词：氧化镓异质外延薄膜结构与性质的关系研究

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【摘要】：近年来,日盲紫外探测技术具有背景噪声小的优势,越来越被世界各国研究机构所关注,常见的日盲紫外敏感材料有Al Ga N、Zn Mg O、金刚石等。近年来,人们逐渐认识到:氧化镓是一种直接带隙的宽禁带半导体材料,且其禁带宽度约为4.9 e V,非常适合日盲紫外探测器的研制需要,但是,氧化镓的材料研究才刚刚起步,异质外延氧化镓薄膜微观结构与其紫外探测器之间的关系还没有被完全弄清楚,本论文通过多种技术手段调控异质外延氧化镓薄膜的微观结构,并通过光电导型日盲紫外探测器的研制及性能测试,试图将氧化镓异质外延薄膜微观结构与其光电导性质联系起来,整个论文的主要研究内容分为以下几个部分:(1)开展了多晶氧化镓薄膜光电特性研究,研究了不同气氛和不同温度条件下退火处理对氧化镓薄膜微观结构与光电导特性的影响,采用XRD、AFM等手段来表征退火处理后氧化镓薄膜微观结构,微观结构测试表明:无论在哪种气氛条件下退火处理,氧化镓薄膜质量会随着退火温度的升高逐渐变好,当退火温度达到1050℃时,所制备的氧化镓薄膜具有(2__01)择优取向特性。另外,将不同条件下退火处理的氧化镓薄膜制备成光电导日盲紫外探测器,其器件测试结果显示:无论哪种气氛条件下退火处理,都会随着退火温度的升高,探测器的光电流与暗电流而逐渐下降,器件的时间响应特性变差,但是,器件的光暗电流比会在某一温度下升高一个数量级而达到104,且紫外光谱响应曲线呈现蓝移现象,截止波长逐渐减小。(2)开展了外延生长氧化镓薄膜微观结构与性质研究,研究了基片原位退火处理对氧化镓薄膜微观结构及光电导特性的影响,研究结果显示:基片原位退火处理对β-Ga_2O_3薄膜结晶质量有一定程度的改善,随着基片原位退火时间的延长,β-Ga_2O_3薄膜结晶质量会呈现先逐渐变好而后逐渐变差的趋势,其中,基片原位退火时间为60 min时,β-Ga_2O_3薄膜结晶质量最好,而基片原位退火时间为240 min时,β-Ga_2O_3薄膜结晶质量最差。此外,通过器件制备实验还发现:外延生长的氧化镓薄膜质量越好,薄膜电导率越高、光电导探测器的光暗电流越大,但是器件的上升时间越短而下降时间越长。(3)开展了不同晶面取向氧化镓薄膜的光电导特性研究,采用不同取向蓝宝石做基片生长了不同取向的氧化镓外延薄膜,通过XRD、SEM等手段来表征所制备氧化镓薄膜的微观结构,微观测试结果显示:在r面蓝宝石基片上外延生长的β-Ga_2O_3薄膜具有(001)择优取向特性,薄膜表面平滑致密,晶界明显,呈现出良好的结晶质量。将生长的β-Ga_2O_3薄膜制备成器件,其器件测试结果显示:器件的光电流高达2.5μA,光暗电流比高达105,器件的上升时间仅为1.24 s,此外,紫外光谱响应特性曲线结果显示:器件的紫外截止波长为280 nm,且最大光响应度与280 nm光响应度的比值达到3个数量级,展现出了极为优异的日盲紫外响应特性。
【关键词】：β-Ga_2O_3 多晶薄膜 外延薄膜 光电导 日盲紫外探测
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.2;O484
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景与意义11-14
• 1.2 宽禁带半导体氧化镓的简介14-16
• 1.3 氧化镓薄膜材料的国内外研究现状16-20
• 1.4 本文主要研究内容20-21
• 第二章 实验装置与表征方法21-32
• 2.1 实验设备简介21-25
• 2.1.1 磁控溅射设备简介21-22
• 2.1.2 分子束外延设备简介22-24
• 2.1.3 薄膜退火装置简介24-25
• 2.2 氧化镓薄膜的表征方法25-27
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）25
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）25-26
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）26-27
• 2.3 光电探测器的性能测试方法27-30
• 2.3.1 光电探测器性能的指标参数27-28
• 2.3.2 光电探测器器件性能的测试设备简介28-30
• 2.4 基于氧化镓薄膜光电导日盲紫外探测器的制备30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 多晶氧化镓薄膜微观结构与光电特性研究32-46
• 3.1 退火处理对氧化镓薄膜材料特性的影响32-38
• 3.1.1 退火处理对氧化镓薄膜结晶质量的影响32-35
• 3.1.2 退火处理对氧化镓薄膜表面形貌的影响35-38
• 3.2 退火处理对氧化镓薄膜光电导特性的影响38-45
• 3.2.1 对器件I-V特性的影响38-40
• 3.2.2 对器件时间响应特性的影响40-43
• 3.2.3 对器件紫外光谱响应特性的影响43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第四章 外延氧化镓薄膜微观结构与光电特性研究46-60
• 4.1 基片原位退火对氧化镓薄膜质量与光电导特性的影响46-50
• 4.1.1 基片原位退火对氧化镓薄膜结晶质量的影响47-48
• 4.1.2 基片原位退火对器件氧化镓薄膜光电导特性的影响48-50
• 4.2 不同取向蓝宝石基片对氧化镓薄膜质量与光电导特性的影响50-58
• 4.2.1 不同取向蓝宝石基片对氧化镓薄膜质量的影响52-54
• 4.2.2 不同取向蓝宝石基片对氧化镓薄膜光电导特性的影响54-58
• 4.3 本章小结58-60
• 第五章 全文总结与展望60-62
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 实验未来展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间取得的成果67-68

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本文编号：740914