基于β-Ga2O3的紫外探測器制備及其光電性能的測試研究.pdf

1、氧化鎵(Ga2O3)屬于直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為4.9 eV，具有高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、大的禁帶寬度、較強的抗擊穿能力、優(yōu)良的紫外透過性能，因而近年來受到越來越多科研人員的關(guān)注。由于合適的禁帶寬度，對應(yīng)的波長為253 nm，Ga2O3是理想的日盲紫外光電探測器材料。但Ga2O3材料存在氧空位等缺陷，高度絕緣導(dǎo)致光電探測器的信號非常微弱而難以測試，探測器的尺寸過大，探測器增益較低而無法檢測單光子級別的紫外光等一系列問題

2、。
　　本論文針對β-Ga2O3在光電器件上應(yīng)用開展了研究工作，具體內(nèi)容如下:
　　1.采用L-MBE和磁控濺射制備了簡易的MSM(金屬-半導(dǎo)體-金屬)型β-Ga2O3紫外探測器，使用精度達到10-15A的Kethley4200低噪聲測試系統(tǒng)測量其直流光電性能，并采用雙指數(shù)曲線擬合的方法對響應(yīng)時間參數(shù)做了定量分析。在10V偏壓下探測器暗電流約為0.4nA，對365 nm紫外光幾乎不響應(yīng)，而在254 nm光照下，電流迅速增大為

3、15 nA，光暗比約為37.5，光響應(yīng)度為0.0119 A/W,外量子效率為5.46％。響應(yīng)時間分別為τr1=3.39 s，τr2=20.30 s，τd1=0.6 s，τd2=16.69 s。此外使用Labview模擬仿真驗證了鎖相放大系統(tǒng)測量微弱交流信號的可行性，搭建了鎖相放大SR7270測試系統(tǒng)并測量探測器的交流光電性能。在1V(5 Hz)偏壓下，暗電流為15nA，而經(jīng)254 nm光照后，光電流為75-80 nA。
　　2.通

4、過對β-Ga2O3薄膜進行Zn摻雜，減少探測器的氧空位，提高光暗比，光響應(yīng)度，外量子效率，光響應(yīng)速度等光電性能。相比于純的β-Ga2O3，Zn摻雜后光暗比由37.5增加至74.4，光響應(yīng)度提升至0.032 A/W，外量子效率增加至15.99％。光響應(yīng)速度中上升過程的響應(yīng)時間τr1=3.39 s提升至1.95 s，τr2=20.30 s提升至15.04 s，下降過程有兩個過程的τd1=0.6 s，τd2=16.69 s減少至一個過程τd=

5、0.25 s。利用紫外光刻技術(shù)制備電極，使得電極尺寸更小。光電性能方面光暗比和光響應(yīng)速度等光電性能基本保持不變，而光響應(yīng)度顯著提升至0.374A/W，外量子效率顯著提升至182％，為制作探測器大平面陣列打下基礎(chǔ)。將薄膜進行芯片封裝和對外圍電路設(shè)計（探測電路和報警電路），使得探測器更加小型化，便攜化，實用化。
　　3.在p-Si襯底上制備了β-Ga2O3/p-Si PN結(jié)，使PN結(jié)工作在反向偏壓下的線性模式，測量其增益、光電響應(yīng)性能

6、、線性性等特性，并對I-t曲線進行擬合以及利用Kethley4200低噪聲測試系統(tǒng)測量C-V曲線，結(jié)果表明光電響應(yīng)時間隨著偏壓增大而減小。在較小的反偏壓3V時，探測器的增益就達到了105，單位增益處的光響應(yīng)度為0.082 A/W，外量子效率為40.03％，τr1在偏壓為0.5 V,1 V,2 V,3 V時分別為2.2 s，1.65 s，1.21 s，1.15 s，τd1在偏壓0.5V，1 V,2 V,3 V時分別為2.21 s，1.59

7、 s，1.23 s，1.15 s，而τr2和τd2均穩(wěn)定在20 s左右。最后由于β-Ga2O3探測器目前無法工作于蓋革模式，使用近紅外單光子探測器InGaAs/InP來進行蓋革模式的測量，我們利用無源抑制電路在示波器上捕獲了暗計數(shù)，以及利用1 GHz正弦門控模式測得了暗計數(shù)和光子探測效率等重要性能參數(shù)，為以后日盲型紫外蓋革模式的測試工作打下了基礎(chǔ)。在3V的最佳過偏置電壓(VE)下，近紅外探測器的暗計數(shù)率為6.67×104/s，光子探測效