氧化镓MSM日盲紫外光电探测器的研制

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:songyc198610712
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近年来,关于β-Ga2O3日盲紫外探测技术的研究发展迅猛。β-Ga2O3的禁带宽度为4.9 eV,具有高的透光率、化学稳定性好、机械强度高等特点,是一种很好的日盲紫外敏感材料。由于金-半-金(Metal-Semiconductor-Metal,简写为MSM)型器件具有制备简单、响应度高以及与CMOS良好的工艺兼容性等优点,故本论文以MSM为器件基本结构,采用分子束外延技术生长了β-Ga2O3薄膜,并制备了日盲紫外探测器。论文具体内容如下:论文首先研究了金-半接触特性对器件性能的影响,对比研究了Ti/Au电极与Au电极对器件性能的影响,在未对电极进行退火处理的情况下,与采用Au电极的器件相比,采用Ti/Au电极的器件性能更优,为此,论文选用Ti/Au作为金属电极材料制备氧化镓MSM日盲紫外探测器。在此基础上,为了探索金-半界面特性对器件性能的影响,论文进一步研究了电极的快速退火处理对氧化镓MSM器件性能的影响,并探讨了其影响机制。论文分别在400℃、500℃、600℃、700℃下对Ti/Au电极进行快速退火处理,测试了退火后器件的I-V特性、时间响应特性,并利用二次离子质谱(SIMS)和X射线光电子能谱(XPS)技术分析了界面微观特性。研究结果表明:经快速退火后,Ti原子扩散进入氧化镓表层与O结合生成TiO2,一方面,降低了界面的金-半接触势垒高度,另一方面,也导致界面附近氧化镓薄膜中产生了更高浓度的氧空位,提高界面势垒处的载流子浓度,使器件的光电流和暗电流都随着电极退火温度的升高而增大,从而提高了器件的光响应度。然而,也正是因为界面氧空位浓度的增加,由于氧空位对电子的陷阱效应,导致了器件更加严重的持续光电导效应(persistent photo-conductivity,简写为PPC),器件响应速度变差。在金-半接触特性研究基础上,为了提高器件的光响应度,论文研究了掺In氧化镓薄膜(InxGa1-x)2O3的光电性能。为此,论文首先探索了薄膜的掺铟量与In源温度的关系,并利用EDS、AFM、XPS、紫外可见光谱等来表征薄膜的性质。EDS测试结果显示:当基片温度固定为760℃时,In源温度为700℃时,In源含量为11.5%,这说明:可以通过控制In源温度对(InxGa1-x)2O3薄膜中的In含量进行有效调控。为了研究不同In源温度所制备(InxGa1-x)2O3薄膜的性质,论文研究了其MSM光电导器件的I-V特性、时间响应特性以及紫外光谱响应,测试结果显示:当In源温度低于600℃时,器件性能未发生显著变化,当In源温度为650℃时,器件的性能明显改善,但当In源温度为700℃时,器件综合性能反而变差,暗电流为9.8 mA,光电流为10.3 mA,虽然响应度达到7.1×104 A/W,但光暗电流比仅为1。AFM分析结果显示:当In源温度为700℃时,薄膜表面出现凸起的类似球状物形貌;经XPS分析得知薄膜表面In析出形成In2O3相,这表明:(InxGa1-x)2O3薄膜存在严重的晶相分离,从而导致器件性能变差。由于In的高挥发性,薄膜中的In含量不仅与In源温度有关,而且受基片温度影响,为了减弱薄膜的晶相分离程度,论文通过大量实验对基片温度和In源温度进行优化,优化的基片温度和In源温度分别为560℃和600℃,利用此条件下生长的(InxGa1-x)2O3薄膜所研制MSM探测器综合性能较好,暗电流为424 pA,光电流为1.06μA,光暗电流比为2.5×103,响应度为73.6 A/W,展现出了较好的日盲紫外光电探测的器件性能。
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