氧化镓肖特基二极管的研究

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肖特基势垒二极管是基于金属-半导体接触的单极整流器件,其开启电压较低。由于肖特基二极管中少子的电荷存储效应甚微,其反向恢复时间很短,故可用于制备高频或快速开关器件。肖特基探测器的制备工艺与肖特基二极管基本类似,因此相比一般探测器具有成本低、工艺简单等优点,有很大的商业前景。而氧化镓(Ga2O3)作为最近热门的半导体材料,具有超宽带隙、高击穿电场、化学性质稳定等众多良好特性,非常适合制备肖特基二极管和肖特基探测器。因此Ga2O3肖特基器件的相关研究一直是热门方向。本文主要围绕氧化镓肖特基二极管研究了三个方面的内容,具体如下:第一,我们通过机械剥离与旋涂技术,在高质量的氧化镓衬底上制备了PEDOT:PSS薄膜,并在衬底背面制作欧姆接触,研制出垂直结构的PEDOT:PSS/Ga2O3肖特基二极管。通过对器件的多项电学测试,我们得到了器件的反向泄漏电流(小于10-9A@-3 V)、电流开关比(107)以及肖特基势垒高度(1.46 eV),这些都说明了PEDOT:PSS/Ga2O3肖特基二极管具有良好的整流性能。随后,我们对器件的传输机制进行了深入分析。通过变温I-V测试(300-425 k),发现了势垒高度φb和理想因子n随温度变化这一现象。通过提取了器件的有效理查森常数,我们确定了这一现象的原因为肖特基势垒存在不均匀性,并最终通过加入高斯分布的热电子发射理论(TE),我们得到了器件的平均肖特基势垒高度((?))和势垒的标准偏差(σs)值(1.57 e V、0.212e V),与有效理查森常数(10.8 Acm-2k-2)。最后,为了改进PEDOT:PSS/Ga2O3肖特基二极管的性能,我们对工艺进行了改进(在PEDOT:PSS表面增加金属传输层、使用高掺杂浓度Ga2O3衬底)。通过对实验结果的分析,我们发现在增加金属传输层对器件性能有很大提升,而使用高浓度掺杂衬底对器件没有多大改善。第二,我们对制备的PEDOT:PSS/Ga2O3肖特基二极管进行了探测器特性的研究,对器件进行了较为完备的测试(光暗电流、响应时间和光谱响应度)。从测试结果中我们得到探测器的暗电流(9.4 n A@-4 V)和光暗电流比(48),表明器件具有低噪声特性,并且器件还具备光电效应(短路电流Isc=1.68 n A,开路电压Voc=0.15 V)。在测试中我们还观察到了器件光电流随光功率密度非线性增加的特性,并最终通过分析表面态对肖特基势垒能带结构的影响解释了这一现象。探测器的时间响应曲线随光照的变化稳定且可重复,上升时间和衰减时间分别为396 ms和289 ms。较快的响应速度也表明了衬底材料具有较少的缺陷。探测器的响应度R峰值为0.62 A/W,不同光波长响应度之比(R254nm/R400nm)为1.26×103,说明了器件良好的光谱选择性,并通过响应度R计算出器件具有高外部量子效率(EQE)(315%)。第三,我们制备了使用外延薄膜作为衬底的Au/Ni/(In Ga)2O3肖特基二极管并研究了其电学特性。使用与第一部分中类似的测试和分析方法,我们研究了其电学特性和载流子传输机制。器件具有高正向饱和电流密度(65 A/cm2),低导通电阻23.48mΩ/cm2以及高电流开关比(108),体现了作为二极管良好的整流特性。同时,观察到器件同样存在第一部分中出现过的肖特基势垒高度φb与理想因子n随温度变化的现象。最终,我们使用相同的分析方法,及引入势垒高斯分布的热电子发射机制(TE)解释了这一现象,并计算出器件的平均势垒高度为1.18 e V,势垒标准差为0.135 V,(In Ga)2O3有效理查森常数A*为42.34 Acm-2k-2
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