一维宽禁带氧化物半导体及其紫外探测器的制备和研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuyx82
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紫外光电探测器在军事与民用等多个方面具有广泛的应用,如导弹预警,空间通讯,火灾监测,高压电线路检测等。宽禁带半导体具有禁带宽度大、稳定性高、抗辐射强等优点,是制备短波长光电子器件,特别是紫外光电探测器的理想材料。相比于薄膜材料和体材料,低维微纳材料具有比表面积大、轻质、柔韧性好、制备成本低等优势,在制备柔性、便携、可穿戴器件方面有良好的应用前景。以氧化锌(ZnO)和氧化镓(Ga2O3)为代表的宽禁带氧化物半导体材料除了具有其他宽禁带半导体一样的优异特性外,还拥有丰富多样的微纳结构,并且基于其微纳材料制备的光电探测器也取得了诸多进展。然而,受限于材料的结晶质量以及氧空位等本征缺陷,宽禁带氧化物半导体微纳结构紫外探测器普遍存在响应速度较慢、紫外/可见抑制比不高等问题,严重制约了器件的进一步应用发展。针对上述问题,本论文开展了ZnO和Ga2O3基一维微纳结构及其紫外探测器的制备和研究工作,具体如下:1、利用化学气相沉积(CVD)方法制备了自支撑ZnO一维纳米线,通过对氧空位缺陷浓度的调控,实现了响应度约为300 m A/W,紫外/可见光抑制比超过10~4,响应时间下降沿小于0.12 s的ZnO一维纳米线紫外探测器,器件综合性能显著优于已报道的同类器件。研究了表面氧空位缺陷对其光学、电学及其光电探测性能的影响,并澄清了相关机制,发现了表面氧空位在一定程度上可以加快氧气的吸附与脱附速度,从而缩短器件的响应时间。2、在上述工作基础上,为了进一步调控缺陷并提高材料的结晶质量,发明了低压高温生长与原位常压退火相结合的CVD生长技术,制备了宽度为5-40μm,厚度为0.1-2μm,长度为1-12 mm的β-Ga2O3微米带。选区电子衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等结果表明该Ga2O3微米带具有高的晶体质量和低的氧空位缺陷密度,这主要归因于低压环境下的缓慢生长和原位氧气氛高温退火的氧空位修复效应。3、制备了单根β-Ga2O3微米带日盲紫外光电探测器,器件在20 V偏压下的暗电流仅为1 p A,峰值响应度为9.47 A/W,紫外-可见抑制比可达8.8×10~4,90-10%下降时间仅为1.37μs。此外,器件具有出色的工作稳定性,在多次弯曲测试以及长时间(三个月)反复测试后,器件性能没有明显改变。该器件表现出的优异日盲探测性能与Ga2O3微米带的高结晶质量和低缺陷密度密切相关。
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