β-Ga2O3基日盲紫外探测器特性研究

摘要

β-Ga2O3具有禁带宽度大、光学特性优秀以及物理化学稳定的性质，在波长大于300nm范围内光的透过率大于80%，是制备日盲紫外探测器的理想材料之一。本文在衬底氧化镓和蓝宝石外延氧化镓上制备了紫外探测器，对比了衬底氧化镓与蓝宝石外延氧化镓所制备探测器在性能上的差别，此外还研究了氧压对探测器性能的影响，得到以下两个结论： 第一，分别利用导模法和PLD薄膜生长技术制备衬底氧化镓和蓝宝石外延氧化镓薄膜。TEM测试结果显示蓝宝石外延氧化镓中存在位错缺陷，而衬底氧化镓的表面平整且无缺陷，这是由于氧化镓与蓝宝石衬底在晶格上的不匹配，导致氧化镓/蓝宝石界面存在无法被释放的应力。XRD测试结果表明蓝宝石外延氧化镓的三个衍射峰在不同程度上向小角度方向移动，表明外延薄膜存在面外的拉伸应变，通过对(-603)衍射峰的计算得出蓝宝石外延氧化镓所受应力大小为0.4%。根据AFM测试结果得到衬底氧化镓和蓝宝石外延氧化镓的均方根粗糙度分别为1.3nm和7.5nm。 与蓝宝石外延氧化镓探测器相比较，衬底氧化镓探测器在光电流、PDCR以及响应度等性能上有明显的增强，这是由于衬底氧化镓薄膜晶格质量好。从光谱响应的测试结果可以得出，衬底氧化镓的直接带隙和间接带隙分别为4.78eV和4.59eV，而蓝宝石外延氧化镓只在253nm处存在一个截止波长，对应其直接带隙为4.90eV，这是由于蓝宝石外延氧化镓材料中存在更多的缺陷和陷阱，导致间接带隙的光学吸收强度被明显削弱。从结果中还可以得出衬底氧化镓直接带隙比外延氧化镓直接带隙小120meV，这归因于外延氧化镓薄膜中所存在的应力。探测器的瞬态响应测试表明缺陷带可能参与光学吸收和载流子湮灭过程，这会降低器件的光响应速度。 第二，利用PLD技术分别在0.01mbar、0.05mbar和0.09mbar氧气分压下制备出样品A、样品B和样品C三个蓝宝石外延氧化镓薄膜。XRD测试结果表明样品A、样品B和样品C都是沿(-201)晶面生长的β相的氧化镓薄膜。根据AFM测试结果可以看出随着氧气分压的增加，蓝宝石外延氧化镓薄膜表面平整度变好且表面的岛尺寸变小。通过XPS计算得到样品A、样品B和样品C的O/Ga比分别为1.03、1.08和1.09，并且随着氧分压的增大镓低价化合物拟合峰面积减小，Ga2p3/2峰结合能增大，表明氧气分压的升高引起了薄膜中氧空位的减少以及Ga-O键的增多。 与样品A和样品C氧化镓探测器相比较，样品B在光电流、PDCR以及响应度等性能上有明显的提高，这是由于样品A生长时的氧气分压低，所以样品B薄膜中比样品A中的氧空位更少，然而随着氧气分压的增大，样品C中将会产生大量的镓空位和VO-VGa络合物。这些点缺陷都会作为俘获中心来捕获光生载流子，导致器件各个性能的衰退。根据光谱响应的测试结果，三个样品的截止波长在253nm处，对应其直接带隙为4.90eV。瞬态响应的拟合结果看出样品B电流衰减过程的慢响应时间更短，进一步表明样品A和样品C外延氧化镓中具有更多的氧空位以及深能级缺陷。

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