氧化镓光电探测与信息存储器件研究

发布时间：2020-03-24 10:35

【摘要】：氧化镓是一种新型的宽禁带半导体材料,具有诸多优异的物理特性(如:禁带宽度大,～4.9 eV;击穿电场强度大,～8 MV/cm等),在场效应晶体管、日盲光电探测器、透明导电电极、信息存储器、气敏传感器、LED基板等器件中展现出巨大的应用前景。近年来特别是高质量2英寸氧化镓单晶的成功获得以来,氧化镓材料受到各国科研人员的高度关注,并正形成热点,首届氧化镓及相关材料专题国际研讨会也于2015年11月在日本京都大学召开。博士期间置身于学术前沿,弄潮争先,结合北京邮电大学的学科特色开展氧化镓薄膜材料在光电探测器、磁半导体存储器和阻变存储器方面的应用研究,取得以下几个方面的成果:(1).采用激光分子束外延技术研究了不同衬底、氧压、温度、激光能量、频率等对氧化镓薄膜晶相、结晶质量、带隙等性能的影响。结果表明,在c面蓝宝石衬底上容易实现沿(201)晶面择优生长的β-Ga203薄膜,而在m面蓝宝石衬底上容易获得沿(300)晶面取向的α-Ga2O3薄膜,β-Ga203和α-Ga2O3薄膜的带隙分别为4.90和5.15 eV。β-Ga203外延薄膜的最佳生长条件为氧压5×10-3Pa、衬底温度750℃。(2).制备获得基于氧化镓薄膜的金属-半导体-金属结构光电探测器,探测器对254 nm的光非常敏感,而对365 nm的光几乎不响应,表现出明显的日盲紫外光电特性。通过氧气氛退火调控氧空位,实现Ti/β-Ga2O3界面从Ohmic型向Schottky型转变,有效地调控了光生载流子的输运方式。同时,利用掺杂元素Mr3-+/Mn2+价态转变,有效地抑制了β-Ga2O3薄膜内部的滋生载流子,减小了氧空位,降低了暗电流,提高了探测器的光暗比及响应速度。(3).提出一种通过Ga2O3和过渡金属(Mn、Fe、Cr)薄层循环沉积经高温层间相互扩散实现掺杂并调控薄膜微结构的技术。分别获得高浓度均匀掺杂的(201)晶面取向的β相(GaMrn)2O3外延薄膜、Ga2O3/(Ga1-xFex)2O3多层薄膜和Cr掺杂的Ga2O3纳米蠕虫薄膜。三种结构薄膜都观察到了室温铁磁性,并给出合理的磁性来源解释。(4).利用氧化镓电阻对氧特别敏感的性质,首次报道了氧化镓的单极型阻变行为及反常双极型阻变行为。单极型阻变行为具有良好的重复性及保持性,低阻态时表现为金属行为,高阻态时表现为半导体行为,其阻变机理可由氧空位导电细丝的形成和烧断解释;反常双极型阻变行为稳定性好,高低阻态能自由转换,低阻态时表现为电子隧穿,高阻态时表现为Schottky发射,其阻变机理可由氧空位的移动改变了载流子的输运方式解释。
【图文】：

氧化镓,同分异构体,转换关系,亚稳相

逡逑尸１２０°邋［１８，，１９］。晶体结构如图１－１所示。在这些同分异构体中，灸Ｇａ２０３最稳定，逡逑其他相均为亚稳相，这些亚稳相在一定的温度下都能转变为稳定的斤Ｇａ２０３［４］。逡逑例如：ｃｔ－Ｇａ２０３在温度６００°Ｃ以上（干条件下）就能转变为片Ｇａ２０３，而ｙ，ｅ和＜５相则逡逑分别在４５０°Ｃ（干），８７０°Ｃ（干）和３００°Ｃ（湿）的温度条件下转变为ｐ相Ｗ，如图１－２逡逑所示。然而它们的逆过程就没那么容易了，一般都是通过施加氋压，如片Ｇａ２０３逡逑在４邋ＧＰａ的外力作用下可以转变为ｃｔ－Ｇａ２0３，而ｃｔ－Ｇａ２0３在３７邋ＧＰａ的外力作用下逡逑贝ＩＪ可以转变为＆Ｇａ２０３＿。常温常压下＇－ＧａｓＯ；最稳定，目前制备出的Ｇａ２０３薄膜逡逑也以＾相居多

氧化镓,同分异构体,立方晶系,晶体结构

逡逑尸１２０°邋［１８，１９］。晶体结构如图１－１所示。在这些同分异构体中，灸Ｇａ２０３最稳定，逡逑其他相均为亚稳相，这些亚稳相在一定的温度下都能转变为稳定的斤Ｇａ２０３［４］。逡逑例如：ｃｔ－Ｇａ２０３在温度６００°Ｃ以上（干条件下）就能转变为片Ｇａ２０３，而ｙ，ｅ和＜５相则逡逑分别在４５０°Ｃ（干），８７０°Ｃ（干）和３００°Ｃ（湿）的温度条件下转变为ｐ相Ｗ，如图１－２逡逑所示。然而它们的逆过程就没那么容易了，一般都是通过施加氋压，如片Ｇａ２０３逡逑在４邋ＧＰａ的外力作用下可以转变为ｃｔ－Ｇａ２0３，而ｃｔ－Ｇａ２0３在３７邋ＧＰａ的外力作用下逡逑贝ＩＪ可以转变为＆Ｇａ２０３＿。常温常压下＇－ＧａｓＯ；最稳定，目前制备出的Ｇａ２０３薄膜逡逑也以＾相居多
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333

【参考文献】