基于β-Ga2O3的紫外探测器制备及其光电性能的测试研究

摘要

氧化镓(Ga2O3)属于直接带隙的宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.9 eV，具有高的热稳定性和化学稳定性、大的禁带宽度、较强的抗击穿能力、优良的紫外透过性能，因而近年来受到越来越多科研人员的关注。由于合适的禁带宽度，对应的波长为253 nm，Ga2O3是理想的日盲紫外光电探测器材料。但Ga2O3材料存在氧空位等缺陷，高度绝缘导致光电探测器的信号非常微弱而难以测试，探测器的尺寸过大，探测器增益较低而无法检测单光子级别的紫外光等一系列问题。
　　本论文针对β-Ga2O3在光电器件上应用开展了研究工作，具体内容如下:
　　1.采用L-MBE和磁控溅射制备了简易的MSM(金属-半导体-金属)型β-Ga2O3紫外探测器，使用精度达到10-15A的Kethley4200低噪声测试系统测量其直流光电性能，并采用双指数曲线拟合的方法对响应时间参数做了定量分析。在10V偏压下探测器暗电流约为0.4nA，对365 nm紫外光几乎不响应，而在254 nm光照下，电流迅速增大为15 nA，光暗比约为37.5，光响应度为0.0119 A/W,外量子效率为5.46％。响应时间分别为τr1=3.39 s，τr2=20.30 s，τd1=0.6 s，τd2=16.69 s。此外使用Labview模拟仿真验证了锁相放大系统测量微弱交流信号的可行性，搭建了锁相放大SR7270测试系统并测量探测器的交流光电性能。在1V(5 Hz)偏压下，暗电流为15nA，而经254 nm光照后，光电流为75-80 nA。
　　2.通过对β-Ga2O3薄膜进行Zn掺杂，减少探测器的氧空位，提高光暗比，光响应度，外量子效率，光响应速度等光电性能。相比于纯的β-Ga2O3，Zn掺杂后光暗比由37.5增加至74.4，光响应度提升至0.032 A/W，外量子效率增加至15.99％。光响应速度中上升过程的响应时间τr1=3.39 s提升至1.95 s，τr2=20.30 s提升至15.04 s，下降过程有两个过程的τd1=0.6 s，τd2=16.69 s减少至一个过程τd=0.25 s。利用紫外光刻技术制备电极，使得电极尺寸更小。光电性能方面光暗比和光响应速度等光电性能基本保持不变，而光响应度显著提升至0.374A/W，外量子效率显著提升至182％，为制作探测器大平面阵列打下基础。将薄膜进行芯片封装和对外围电路设计（探测电路和报警电路），使得探测器更加小型化，便携化，实用化。
　　3.在p-Si衬底上制备了β-Ga2O3/p-Si PN结，使PN结工作在反向偏压下的线性模式，测量其增益、光电响应性能、线性性等特性，并对I-t曲线进行拟合以及利用Kethley4200低噪声测试系统测量C-V曲线，结果表明光电响应时间随着偏压增大而减小。在较小的反偏压3V时，探测器的增益就达到了105，单位增益处的光响应度为0.082 A/W，外量子效率为40.03％，τr1在偏压为0.5 V,1 V,2 V,3 V时分别为2.2 s，1.65 s，1.21 s，1.15 s，τd1在偏压0.5V，1 V,2 V,3 V时分别为2.21 s，1.59 s，1.23 s，1.15 s，而τr2和τd2均稳定在20 s左右。最后由于β-Ga2O3探测器目前无法工作于盖革模式，使用近红外单光子探测器InGaAs/InP来进行盖革模式的测量，我们利用无源抑制电路在示波器上捕获了暗计数，以及利用1 GHz正弦门控模式测得了暗计数和光子探测效率等重要性能参数，为以后日盲型紫外盖革模式的测试工作打下了基础。在3V的最佳过偏置电压(VE)下，近红外探测器的暗计数率为6.67×104/s，光子探测效率达到了25.76％。

目录

声明

摘要

1．1 前言

1．2 紫外探测器简介

1．2．1 β-Ga2O3材料简介

1．2．2 β-Ga2O3的基本物理特性

1．2．3 β-Ga2O3紫外探测器研究现状

1．3 紫外单光子探测器的研究现状

1．4 微弱信号检测

1．4．1 相干检测

1．4．2 取样积分与数字式平均

1．5 本论文工作的目的、内容和意义

第二章 制备和测试方法

2．1 制备方法

2．1．1 激光分子束外延

2．1．2 磁控溅射

2．2 测试方法

2．2．1 直流测试方法

2．2．2 锁相放大测试方法

2．3 本章小结

第三章 MSM日盲型紫外探测器的制备及性能测试

3．1 MSM日盲型紫外探测器的制各

3．1．1 薄膜制备

3．1．2 电极制备

3．2 MSM型β-Ga2O3紫外探测器直流光电性能

3．2．2 响应度与外量子效率

3．2．3 I-t曲线

3．2．4 光电机理研究

3．3．1 黑暗条件下不同频率的I-V曲线

3．3．2 交流I-t曲线

3．4 本章小结

第四章 MSM探测器优化及外围电路设计

4．1．1 I-V曲线

4．1．2 光响应度与外量子效率

4．1．3 I-t曲线

4．2 小尺寸电极制备

4．2．1 光学曝光

4．2．2 紫外光刻制备叉指电极流程

4．2．3 电极尺寸对光电性能影响

4．3 芯片封装及其外围电路设计

4．3．1 芯片封装

4．3．2 外围电路设计

4．4 本章小结

第五章 日盲型单光子探测器制备及其光电性能的测试

5．1 单光子紫外探测器工作原理简介

5．2 线性单光子紫外探测器的制备

5．2．1 制备流程

5．3 光电性能测试

5．3．1 紫外可见吸收光谱

5．3．2 I-V-Gain曲线

5．3．4 C-V曲线

5．3．5 线性曲线

5．4 盖革模式单光子探测器

5．4．1 盖革模式单光子探测器性能参数

5．4．2 单光子探测器SPAD的工作模式

5．4．3 单光子性能测试

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果