L-MBE法制备β-Ga2O3薄膜及其掺杂和光敏特性的研究

摘要

随着科学技术的发展，透明导电氧化物薄膜在平面显示、发光二极管、太阳能透明电极等领域的应用引起了越来越多的人的关注。而具有直接带隙的宽禁带半导体Ga2O3以其较高的禁带宽度，优良的紫外透过性能成为继ZnO之后的又一个研究热点。
　　本文采用了激光分子束外延的方法在单晶的Al2O3(0001)衬底上制备了β-Ga2O3薄膜，同时从理论和实验两个方面对β-Ga2O3的掺杂问题进行了初步的探讨，在研究薄膜的光敏特性时，制备了基于β-Ga2O3的MSM结构的紫外光电探测器，并对其性能进行了测试。论文的内容和主要成果如下:
　　1、通过一系列实验，得到生长优质取向薄膜的最优参数:衬底温度750℃、反应气压10-2Pa、靶基距4.5cm，沉积过程完毕后原位保持30min后在800℃下退火60min。
　　2、对制备的β-Ga2O3薄膜进行了表征。表征内容包括制备过程中的RHEED的监控来定性研究表面形貌，X射线衍射分析内部结构，采用紫外可见吸收谱的测量和荧光发光测试来分析其光学性能等。
　　3、从理论和实验上探究了Ni掺杂的β-Ga2O3的性能。采用第一性原理理论分析了Ni掺杂对β-Ga2O3的能带结构、态密度的影响。实验制备了不同掺杂比的β-Ga2O3薄膜，研究了掺杂后薄膜的表面形态、禁带和光学性能的变化情况，同时采用拉曼散射分析掺杂后的薄膜的晶格振动情况。
　　4、利用获得的β-Ga2O3薄膜，成功制备了日盲紫外光电探测器原型器件，获得了较好的日盲光敏效应。对器件的光响应度进行了计算，并对其光电流以及上升弛豫时间和衰减弛豫时间进行了测量，初步分析了器件存在的缺点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 Ga2O3的性质

1．2．1 β-Ga2O3结构特点

1．2．2 β-Ga2O3的电学和光学性质及应用前景

1．3 Ga2O3材料的研究现状

1．4 本论文研究的目的和意义

参考文献

第二章 试验方法及原理

2．1 薄膜沉积技术

2．1．1 激光分子束外延生长

2．1．2 激光分子束外延生长机理

2．1．3 激光分子束外延生长的优点

2．1．4 本文所使用的激光分子束外延设备

2．1．5 反射式高能电子衍射仪(RHEED)

2．2 薄膜沉积的原理

2．2．1 薄膜沉积的成核过程

2．2．2 薄膜的生长模式

2．3 薄膜样品的表征手段

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 原子力显微镜(AFM)

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．4 X射线能量色散谱(EDS)

2．3．5 紫外吸收谱

2．3．6 光致发光谱(PL谱)

2．3．7 拉曼谱

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Ga2O3薄膜的制备和表征

3．1 概论

3．2 实验室L-MBE法生长β-Ga2O3薄膜

3．2．1 薄膜制备的前期准备

3．2．2 L-MBE法制备薄膜的实验过程

3．3 L-MBE法生长β-Ga2O3薄膜试验参数探究

3．3．1 衬底温度对薄膜生长的影响

3．3．2 反应气压对薄膜生长的影响

3．3．3 靶基距对薄膜生长的影响

3．3．4 退火对薄膜生长的影响

3．4 β-Ga2O3薄膜的制备和表征

3．4．1 蓝宝石衬底的XRD和RHEED图片分析

3．4．2 β-Ga2O3薄膜制备

3．4．3 β-Ga2O3薄膜的RHEED图和XRD衍射图

3．4．4 β-Ga2O3薄膜的光学特性

3．5 本章小结

参考文献

第四章 基于Ni掺杂的β-Ga2O3的第一性原理的计算

4．1 概述

4．2 第一性原理

4．2．1 模型的构建

4．2．2 计算方法

4．3 计算结果分析

4．3．1 晶体结构分析

4．3．2 能带结构和态密度分析

4．3．3 光学性能分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 掺Ni的β-Ga2O3异质外延薄膜的制备与表征

5．1 薄膜制备

5．2 薄膜样品的表征

5．2．1 样品的表面形貌

5．2．2 样品的扫描电镜能谱分析

5．2．3 样品的X射线衍射谱分析

5．2．4 样品的光学特性

5．2．5 样品的拉曼谱

5．3 本章小结

参考文献

第六章 β-Ga2O3薄膜的紫外光敏特性的研究

6．1 概述

6．2 光电探测器的工作原理和相关参数

6．2．1 工作原理

6．2．2 光电探测器的相关参数

6．3 β-Ga2O3光电探测器的制备和性能测试

6．4 本章小结

参考文献

第七章 结论

致谢

硕士期间研究成果