【摘 要】
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氧化镓（Ga2O3）半导体是一种新型的宽禁带半导体材料,其宽达4.9 e V的带隙对应于波长250 nm紫外区域,是一种天然的日盲探测器材料。但是由于其带隙宽度太大,对应的紫外探测波段范围较小,因此限制了Ga2O3的应用前景。氧化镉（Cd O）作为一种透明导电氧化物材料,具有高导电率和电子迁移率。但其狭窄的光学带隙（2.2 e V）导致其在可见光的短波长方向过早吸收,使其应用具有局限性。而通过Cd
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氧化镓（Ga2O3）半导体是一种新型的宽禁带半导体材料,其宽达4.9 e V的带隙对应于波长250 nm紫外区域,是一种天然的日盲探测器材料。但是由于其带隙宽度太大,对应的紫外探测波段范围较小,因此限制了Ga2O3的应用前景。氧化镉（Cd O）作为一种透明导电氧化物材料,具有高导电率和电子迁移率。但其狭窄的光学带隙（2.2 e V）导致其在可见光的短波长方向过早吸收,使其应用具有局限性。而通过Cd O与Ga2O3掺杂,能够调节带隙,同时也能够改善氧化镓的电学性能。针对于此,本文开展了Cd掺杂Ga2O3的理论和实验研究。理论方面:本文利用密度泛函理论,通过使用第一性原理计算的方法,研究验证了Cd掺杂对β-Ga2O3晶体光电性能变化的重要影响。研究结果发现:由于掺杂Cd2+的离子半径要大于Ga3+的离子半径,从而导致掺杂后的β-Ga2O3晶胞体积明显增大,体系总的能量升高。同时Cd掺杂能够有效调节β-Ga2O3禁带宽度,使得(CdxGa1-x)2O3体系的带隙表现出先减小后增大的趋势;并且随着Cd掺杂量的不同（12.5%、25%、50%）,掺杂体系(CdxGa1-x)2O3的材料性质发生了变化,由β-Ga2O3的间接带隙材料先变为直接带隙材料（Cd浓度为12.5%、25%时）,然后又变回到间接带隙材料（Cd浓度为50%时）。此外,掺入Cd后降低了体系在一定能量范围内（6～25 e V）的吸收系数和反射率,从而提高了透光率。实验方面:本文采用射频磁控溅射法,通过对Cd O靶材和Ga2O3靶材的轮换溅射,制备了各种不同浓度之比的(CdxGa1-x)2O3（x=40%、53%、68%、85%）薄膜。然后对薄膜的光电性质、表面形貌和晶体结构作了详细表征和综合分析。（1）室温下制备的(CdxGa1-x)2O3（x=40%、53%、68%、85%）薄膜是非晶态的,薄膜表面光滑平整,随着薄膜内的Cd元素的占比增加,光学带隙减小;并且Cd能够提高(CdxGa1-x)2O3薄膜的载流子浓度和电子迁移率。（2）随后在氧气气氛中,对(CdxGa1-x)2O3（x=40%、53%、85%）样品薄膜在0℃、300℃、500℃、700℃和900℃进行了的后退火处理。对于Cd含量约为x=40%的(Cd0.4Ga0.6)2O3薄膜退火后,薄膜内的Cd含量减小,薄膜的透过率有显著提高,结晶质量逐渐变好。当退火温度为900℃时,(Cd0.4Ga0.6)2O3薄膜晶相呈现为立方相,退火后,样品表面较为致密平整,薄膜厚度均匀。对于Cd含量x=53%的(Cd0.53Ga0.47)2O3薄膜,经退火后,其光学带隙变大,电阻率急速下降。EDS结果表示薄膜内的Cd浓度在0～700℃下基本不变,900℃下Cd元素占比减少,另外900℃时(Cd0.53Ga0.47)2O3薄膜为立方相,其化学成分为Cd Ga2O4,同时存在单斜相的氧化镓峰位。对于Cd含量x=85%的(Cd0.85Ga0.15)2O3薄膜,退火后薄膜带隙变大。随着退火温度的增加,薄膜的电子迁移率增加。（3）最后研究了900℃下Cd含量x对(CdxGa1-x)2O3（x=40%、53%、68%、85%）薄膜的影响。EDS测试发现900℃下薄膜内的Cd含量减小趋势明显,随着x的减小,薄膜的结晶质量提高,晶粒特征明显,同时光学吸收边往短波长方向移动。
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