β-Ga2O3薄膜的分子束外延生长及其紫外光敏特性研究

摘要

随着半导体技术的日益发展，宽禁带半导体材料愈来愈受到重视。作为一种新型宽禁带半导体，β-Ga2O3属于直接带隙半导体材料，其禁带宽度介于4.8 eV~5.1 eV之间，是一种潜在的日盲紫外探测材料，已成为半导体学界的研究热点之一。
　　本文采用分子束外延方法在（0001）蓝宝石基片上生长β-Ga2O3薄膜，Ga分子束流由标准K-cell产生，原子氧束流由RF等离子体源产生。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、光致发光谱（PL）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见光（UV-Vis）透射谱等方法研究了所生长薄膜的微观结构和光学特性。
　　首先，本论文对β-Ga2O3薄膜的分子束外延工艺参数进行了初步探索。用XRD作为主要表征手段，系统研究了不同Ga源温度、O2流量、RF源功率和基片温度下所生长薄膜的微观结构。结果表明分子束外延生长β-Ga2O3薄膜的优化工艺参数如下：Ga源温度为960℃，O2流量为1 sccm，RF等离子体源功率为300 W，基片温度为760℃。对在优化工艺参数下制备的β-Ga2O3薄膜作进一步表征，在XRD的θ~2θ扫描谱中，位于18.94°、38.421°、59.186°处出现的衍射峰分别对应于β-Ga2O3(201)、(402)、(603)面的特征衍射，(201)面摇摆曲线（ω扫描）的半高宽（FWHM）为1.9°，这表明在(0001)蓝宝石基片表面生长的β-Ga2O3薄膜具有(201)择优取向生长特征，其(201)面平行于基片的（0001）面，织构程度较好。AFM和SEM测试结果表明，薄膜表面平整均匀。XPS谱分析结果表明所生长的薄膜为Ga的三价氧化物。UV-Vis透射谱测试表明，在300 nm至1000 nm的波段，薄膜有80％的透过率，在250 nm波长附近存在锐利的吸收边，并由透射率推导出薄膜的光学带隙为4.9 eV。PL谱分析结果表明波长458 nm处存在蓝光发光峰。
　　在β-Ga2O3薄膜的分子束外延生长及材料光学特性研究的基础上，本论文进一步在氧化镓薄膜上制作了叉指结构MSM光导型紫外探测器，叉指电极指长、指宽和指间距分别为96μm、3μm、3μm，光敏面积为0.013 mm2。在波长254 nm、光照强度为13μW/cm2的紫外光源照射下，对器件的I-V特性和光电流时间响应特性进行测试，结果表明：在20 V偏压下，暗电流为8 nA,光电流为624 nA,光电流与暗电流比值达78，光响应度达360 AW-1。器件的光谱响应特性测试结果表明：器件在波长为235 nm处的响应度最高，而对波长大于300 nm的紫外波段的响应很弱，这表明该器件具有优良的日盲紫外响应特性。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 宽禁带半导体紫外探测器概述

1.3 β-Ga2O3材料的提出及综述

1.4 论文的主要研究内容

第二章 实验原理和装置介绍

2.1 β-Ga2O3薄膜的常用制备方法

2.2 分子束外延设备简介

2.3 薄膜结构表征及性能测试方法简介

第三章 β-Ga2O3薄膜的制备及性质研究

3.1 β-Ga2O3薄膜的制备研究

3.2 优化工艺参数下制备的β-Ga2O3薄膜的结构及性能表征分析

3.3 本章小结

第四章 基于β-Ga2O3薄膜的紫外探测器研制

4.1 紫外探测器的结构和工作原理

4.2 MSM结构紫外探测器的主要性能参数

4.3 基于β-Ga2O3薄膜的紫外探测器制作工艺

4.4 基于β-Ga2O3薄膜的紫外探测器的性能测试

4.5 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果