高响应度Ga2O3薄膜紫外探测器的制备及其机理研究

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近年来,日盲探测器因其背景噪声低及灵敏度高等优势,在光电子技术领域发挥了其不可替代的作用。Ga2O3作为一种新型宽禁带氧化物半导体材料,其禁带宽度为4.45.3 eV,具有可见光区域高度透明,紫外光波段吸收系数高,对紫外光极其敏感;同时,Ga2O3具备优良的热稳定性和化学稳定性、易于制备、成本低等优势,是一种理想的日盲紫外光探测光敏材料。但是,目前Ga2O3基日盲探测器仍处于实验室研究阶段,仍有一些问题亟需解决。如:响应时间和衰减时间长、低暗电流也伴随响应度低等。基于此,本论文旨在通过调控Ga2O3薄膜材料特性,进而制备并优化出具有响应度高、响应速度快等特性的器件。本论文采用脉冲激光沉积(PLD)技术,选择a-Al2O3(112?0)和m-Al2O3(303?0)衬底,通过调节优化衬底温度、生长氧压等工艺制备出不同结晶状态、不同晶相结构的Ga2O3薄膜及日盲探测器。主要研究结果如下:(1)采用PLD技术,在不同衬底温度下制备Ga2O3薄膜,首先研究衬底温度对薄膜结晶特性的影响,然后分析了Ga2O3薄膜的结晶特性对器件响应特性的影响。随衬底温度升高,Ga2O3薄膜由非晶态向结晶态转变,且对于a-Al2O3(112?0)和m-Al2O3衬底,Ga2O3薄膜的临界结晶温度分别为450℃和550℃;发现利用这种临界结晶态Ga2O3薄膜制备的探测器具有非常高的响应度,由于临界结晶态Ga2O3薄膜是由非晶态占主导并有随机分布的纳米晶组成,增益机理被归结为薄膜内部的隧穿机制及高密度界面态。(2)通过改变生长氧压来进一步优化临界结晶状态Ga2O3薄膜,调控薄膜内氧空位浓度,实现更高响应度的器件,同时降低器件的暗电流,并提高器件响应速度。结果表明,氧压为0.02 Pa和4.0 Pa时,器件的暗电流低至10-910-10 A,响应速度较快,但过低或过高的氧压都会导致器件的响应度急剧下降至10-2 A/W;而氧压为0.52.0 Pa时,而氧压为0.52.0 Pa时,器件易于获得较高的响应度,其中氧压为2.0 Pa时,器件的响应度达到了最大值403.90 A/W。(3)选取高温650℃,通过调节生长氧压制备出不同晶相结构的Ga2O3薄膜及器件,研究了晶相结构对器件响应特性的影响。氧压不超过1.0 Pa时,Ga2O3薄膜为α相与β相共存的混相结构,薄膜内由于高密度界面态引起增益,使得器件具有较高响应度;由于晶态Ga2O3薄膜具有较低的载流子浓度,同时晶界对载流子强的散射作用,使得器件的暗电流低至10-710-10 A;高温生长易于Ga、O原子结合成键,氧空位浓度的显著降低,导致所有器件的响应速度都很快。
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