基于GaN/Ga2O3pn结自供电紫外探测器的制备及性能研究

摘要

紫外探测器因在火焰探测、臭氧层空洞监测、紫外通信、国防预警与跟踪等方面具有广泛应用，近年来受到科研人员的高度关注。目前，市面上的紫外探测器以真空紫外倍增管和Si基紫外探测器为主，真空紫外倍增管存在体积大、易碎、功耗高等缺点，而Si基紫外探测器则需要加一个昂贵的滤光片才能实现对紫外光的探测。禁带宽度大于3.0eV的宽禁带半导体材料只对紫外光敏感，不需要外加滤光片就可以实现对紫外光的直接探测。
　　GaN的禁带宽度为3.4eV，是一种理想的紫外探测器原材料。目前，多数GaN基紫外探测器都是基于光电导型的金属-半导体-金属(MSM)结构，基于该结构的紫外探测器往往具有持续光电导现象，响应时间较慢，同时该结构器件需要外加电压才能工作，这增加了器件的功耗，限制了器件的应用。相反，基于pn结或异质结结构的自供电紫外探测器在无外加偏压的情况下也能正常工作，展现出巨大的优势。
　　本文通过构建pn结形成内建电场，将光生载流子在界面处迅速分离并输运至相应电极，在无需外加电源的情况下实现对紫外光信号的探测。本文采用带隙为3.4eV的GaN作为p型材料，带隙为4.9eV的Ga2O3作为n型材料（同时也作为窗口层材料），利用脉冲激光沉积技术(PLD)在GaN厚膜上生长Ga2O3薄膜，制备获得了GaN/Ga2O3pn结自供电紫外探测器，并通过Sn掺杂Ga2O3薄膜获取更大的内建电场，提高探测器的性能。主要内容及成果如下:
　　1、GaN/Ga2O3pn结自供电紫外探测器。采用PLD法在p-GaN厚膜衬底上，真空(2.0×10-5Pa)、衬底温度为750℃条件下，沉积一层纯Ga2O3薄膜，构成了pn结型GaN/Ga2O3异质结，Ga2O3薄膜结晶性良好，沿(-201)面择优生长，厚度大约为375nm。光电性能测试表明，该器件在黑暗条件下具有良好的整流特性，254nm和365nm紫外光照下，IV曲线不经过零点，展现出光伏特性，具有自供电特点;在光照强度为1.7mW/cm2的365nm光照、0V偏压下，该器件具有较高的光暗电流比(152)、较快的响应时间(0.08s)、超高的响应度(54.43mA/W)及高的探测率(1.23×1011cm·Hz1/2·W-1)，展现出较好的自供电紫外探测器特性。
　　2、GaN/Sn∶Ga2O3pn结自供电紫外探测器。Sn掺杂Ga2O3薄膜能提高费米能级使其靠近导带位置，与p型GaN构成更大的内建电场，增加光生载流子的分离。采用PLD法在p-GaN厚膜衬底上不同氧压、不同衬底温度下生长Sn掺杂的Ga2O3薄膜（掺杂浓度2％），构成了GaN/Sn∶Ga2O3pn结。随着生长温度的提升和氧压的下降，Sn∶Ga2O3薄膜的结晶性、表面平整度和零偏压下光电流均提升。在真空(8.0×10-4Pa)、750℃下制备的样品展现出最高的紫外光电性能，基于GaN/Sn∶Ga2O3pn结的探测器只对波长小于385nm的光具有明显的光电响应，展现出紫外光探测特性。在254nm光照、0V偏压下，随着光照强度从50μW/cm2增加1800μW/cm2时，光电流呈现线性增加，而光响应度呈下降趋势，响应度最大高达3.05A/W，且达到最高探测率(1.69×1013Jones)。该异质结在光照强度为500μW/cm2的254nm光照下，暗电流的量级在10-11A左右，光电流量级在10-6A左右，光暗比为105，同时展现出较快的响应时间(上升时间为23.6ms、下降时间为31.5ms)。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 紫外探测器的研究背景

1．3 紫外探测器的研究进展

1．3．1 紫外探测器材料的种类

1．3．2 紫外探测器结构的分类

1．3．3 GaN基紫外探测器的研究进展

1．3．4 β-Ga2O3基紫外探测器的研究进展

1．4 本论文的选题依据和主要内容

1．4．1 本论文的选题依据

1．4．2 本论文的主要内容

参考文献

第二章 实验方法及表征技术

2．1 引言

2．2 薄膜的制备技术

2．2．1 脉冲激光沉积法

2．2．2 磁控溅射法

2．3 薄膜的表征方法

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 紫外可见吸收光谱(UV-vis)

2．3．3 原子力显微镜(AFM)

2．3．4 扫描电子电镜(SEN)

2．3．5 X射线能谱仪(XPS)

2．4 本章小结

参考文献

第三章 GaN／Ga2O3pn自供电紫外探测器

3．1 引言

3．2．1 前期准备

3．2．2 薄膜生长

3．3 GaN／Ga2O3异质结的材料表征

3．3．1 表面形貌

3．3．2 晶体结构

3．3．3 光谱分析

3．4 GaN／Ga2O3异质结的性能测试

3．4．1 I-V曲线

3．4．2 I-t曲线

3．5 GaN／Ga2O3异质结的工作原理

3．6 本章小结

参考文献

第四章 GaN／Sn：Ga2O3pn结自供电紫外探测器

4．1 引言

4．2．1 制备流程

4．2．2 薄膜生长

4．3．2 晶体结构

4．4 GaN／Sn：Ga2O3异质结的性能测试

4．4．1 I-V曲线

4．4．2 I-t曲线

4．5 GaN／Sn：Ga2O3异质结的工作原理

4．6 本章总结

参考文献

5．1 结论

5．2 展望

硕士期间成果

致谢