氧化镓薄膜光电导日盲紫外探测器的研制

摘要

近年来，日盲紫外探测技术因其抗干扰能力强、灵敏度高的优点被广泛关注。而基于宽禁带半导体的日盲紫外探测器则因其体积小、寿命长、功耗低等优点，逐步取代真空光电管成为了当前的主流研究方向。相较于AlGaN、ZnMgO等常见的日盲紫外敏感材料，β-Ga2O3更容易制备出高质量的薄膜，而且具备较大的禁带宽度，非常适合用于制造日盲紫外探测器。本文利用分子束外延工艺在 c面蓝宝石基片上生长β-Ga2O3薄膜，进而研制基于该薄膜的光电导日盲紫外探测器。首先，从材料特性的角度出发，研究了氧化镓薄膜的制备处理方法与日盲紫外探测器主要性能指标的联系。在此基础之上，为实现器件小型化，为后期大面阵的研制打下基础，本论文又从器件结构的角度，研究了器件的缩放特性，并探索了二极管辅助光电导探测器结构。具体研究内容主要分为以下几个部分：
　　（1）论文研究了退火对β-Ga2O3薄膜质量及其制备的光电导日盲紫外探测器性能的影响。本文在800 oC、900 oC、1000 oC、1100 oC四个温度和真空（4.8×10-4 Pa）、氧气、氮气三种气氛下对分子束外延生长的β-Ga2O3薄膜进行了退火处理，并利用 X射线衍射以及光敏特性测试分别对样品的材料和器件性能进行对比分析，以深入了解退火工艺对β-Ga2O3薄膜质量和光敏特性的影响规律。研究结果显示：随着退火温度的升高，薄膜的（4__02）衍射峰相对强度逐渐降低，探测器的光电流与暗电流均逐渐下降，器件光响应逐渐衰退。氧气退火和氮气退火会影响薄膜中的载流子浓度，从而改变器件的光电流和暗电流。此外，氧气退火还可以减少探测器的下降时间，有效降低持续光电导效应。
　　（2）论文研究了蓝宝石基片原位退火对β-Ga2O3薄膜质量以及光电导日盲紫外探测器性能的影响。为了改善薄膜与基片之间的晶格失配问题，本论文尝试在蓝宝石基片与β-Ga2O3薄膜中引入同质缓冲层，由于缓冲层制备工艺尚不成熟，未能有效改善β-Ga2O3薄膜的质量。但是，研究中发现：在生长β-Ga2O3薄膜之前，先在760oC温度下对蓝宝石基片进行半小时的原位退火处理，可以将薄膜的FWHM从2.0左右降低到1.0左右，有效提高了晶粒取向的一致性，说明基片原位退火处理可明显改善薄膜的生长质量。通过器件制备实验，本论文还发现，氧化镓薄膜的质量越好，光电导探测器的光电流越大，响应度越高，但器件的暗电流也越大，光暗电流比反而会减小，此外，氧化镓薄膜质量对光电导探测器的时间响应特性也有明显影响，薄膜质量越好，光电导探测器的上升时间越短而下降时间越长。
　　（3）论文探讨了了β-Ga2O3薄膜光电导日盲紫外探测器的缩放特性。在保持薄膜生长工艺参数不变的前提下，对光电导日盲紫外探测器的尺寸进行等比例的放大或缩小，通过对各个不同尺寸大小的器件进行性能测试，研究了光电导日盲紫外探测器的器件尺寸对其光电流、暗电流、响应度以及时间响应特性等性能参数的影响。研究结果显示：随着器件尺寸的等比缩小，器件的光电流会有轻微的上升趋势，但整体变化不大。随着尺寸的缩小，器件的响应度会有明显增加，时间响应特性基本不发生变化。因此，叉指电极结构的光电导探测器在经过等比缩小后可以用于大面阵的制作。但叉指电极结构的问题在于，随着器件尺寸的缩小，指条宽度以及指间距会变得非常窄，给器件的加工制造带来了难度。
　　（4）论文探索了二极管辅助光电导日盲紫外探测器。相较于基于叉指电极的器件结构，该新型器件结构在制作工艺上难度更小，而且，通过外接齐纳二极管可以明显增大日盲紫外探测器的光信号与暗信号之间的差值，增强器件的性能，该器件结构的可行性在本工作中已得到初步验证，有希望用于大面阵的研制。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 宽禁带半导体氧化镓简介

1.3 氧化镓日盲紫外探测器的国内外研究历史与现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 实验方法与装置介绍

2.1 分子束外延设备简介

2.2 氧化镓薄膜的后退火装置简介

2.3 氧化镓薄膜的表征方法与装置

2.4 氧化镓薄膜光电导日盲紫外探测器简介

2.5 本章小结

第三章 氧化镓薄膜材料特性的优化及其对光电导性能的影响

3.1 氧化镓薄膜光电导日盲紫外探测器的制备

3.2 退火对氧化镓薄膜质量及光电导特性的影响

3.3 基片原位退火对氧化镓薄膜质量及光电导特性的影响

3.4 本章小结

第四章 面向大面阵的氧化镓薄膜光电导探测器结构探索

4.1 氧化镓薄膜光电导日盲紫外探测器的缩放特性

4.2 二极管辅助光电导探测器的研究

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果