氧化镓微米线的生长及自驱动日盲紫外光探测器性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Taosnowball
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Ga2O3半导体材料共有六种结构。其中单斜相的β-Ga2O3由于具有最好的热力学稳定性,并且可以用作单晶衬底,受到人们广泛的关注和研究。β-Ga2O3,禁带宽度为4.9 eV,性能稳定,具有耐高温耐高压,不溶于酸和碱等优良的特性。β-Ga2O3的通常被应用在气体探测、电子电力器件和紫外光探测等方面。目前为止,已经报道的β-Ga2O3材料具有以下多种形貌:块体单晶、一维的纳米线和纳米带、二维的薄膜和纳米线阵列等。其中,高质量的块体单晶和薄膜难以制备,通常需要昂贵的设备来合成(如MBE、MOCVD等),而纳米结构的材料又不易于操作。因此利用β-Ga2O3材料制作器件成本很高。因此制备出高质量,易于操作且低成本的β-Ga2O3单晶是非常有意义的。本文通过化学气相沉积的方法,制备出了高质量的β-Ga2O3单晶微米线,微米线的平均直径约为10μm,长度最长可达1cm,这样的尺寸肉眼很容易的就可以看见并且可以方便的在肉眼下操作而无需借助昂贵的设备。随后本文通过制作不同结构的探测器,研究了氧化镓微米线的紫外探测性能。本论文分别制作了基于氧化镓微米线的肖特基结构和p-n结结构以研究氧化镓微米线的探测能力。结果如下:首先,我们通过化学气相沉积技术在石英玻璃衬底上制备了超长氧化镓微米线,据观察多数的氧化镓微米线的直径多为10μm,长度多在5-8 mm,最长可达1 cm,而据我们所能查到的文献通常β-Ga2O3单晶微米线的长度为百微米级别。通过X射线衍射谱确定该方法制备的Ga2O3微米线为单斜相(β)氧化镓单晶且结晶质量较高。从SEM图像可以看出氧化镓微米线表面光滑平整为结晶良好的氧化镓微米线,EDX元素分析确定材料包含O元素和Ga元素。通过HR-TEM图像和选区电子衍射确定我们生长的氧化镓微米线为结晶质量较好的单晶。最后通过紫外-可见吸收谱确定氧化镓微米线对250 nm左右的日盲区域的光具有吸收。其次,我们制作了分别与In和Au接触的光导型光电探测器和肖特基结型光电探测器。并对其探测性能进行了测试。测试结果显示,外加偏压时Ga2O3微米线的暗电流非常小,在pA级别,并且具有非常好的光电响应特性,其光暗比可以达到3个量级,但响应时间非常慢,而且需要外加偏压维持运行。Au/Ga2O3结构的日盲紫外光探测器可以实现自驱动探测,并且在0 V下具有很高的光暗比和响应度,但由于氧化镓微米线的形貌使得氧化镓和物理方法沉积的薄膜之间难以形成较好的接触,器件的重复率不高。最后,利用p型导电聚合物PEDOTs:PSS与Ga2O3结合制备了pn结型光电探测得器。PEDOTs:PSS最初为液态,将其滴在微米线表面后烘干,可以形成良好的接触。在器件制备的前后我们均测试了PEDOTs:PSS的光电特性,结果显示PEDOTs:PSS在任何光照射下均没有光响应,这样其在pn结器件中主要充当空穴传输层而光吸收主要发生在Ga2O3材料中,使得所制备光电探测器的探测波段仍处于日盲紫外。经测试器件具有非常好的自驱动日盲紫外光探测性能,在0 V下其响应峰位于250 nm,峰值为2.6 A/W。并且在250 nm光照下,其光暗比可以达到104。该探测器不但同In-Ga2O3-In相比有了较大的提高(可以进行0 V自驱动探测,响应速度大幅度提高),且具备较高的响应度和异质比,并且超过目前在我们所能查到的国际上已发表的期刊中器件的性能。器件具有较高的0 V下响应度(2.6A/W),且在较小偏压下具有较高的探测度2.2×1013 Jones。同时器件具有超高的抑制比:紫外-可见抑制比约105,日盲-可见盲抑制比104。同时器件还具有较高的响应速度:上升时间315μs,下降时间4 ms。总之,我们通过化学气相沉积方法制备出了长度为cm级,宽度为10μm级的超长氧化镓微米线。该微米线为单晶,而且具有制作成本低、可以在肉眼下用镊子操作的优点,降低了Ga2O3单晶材料的应用成本。同时,我们制备了不同类型的日盲紫外光探测器,其中利用p型导电聚合物PEDOTs:PSS与微米线所合成得p-n结探测器,具有2.6 A/W的高响应度和105紫外可见抑制比,同时具有很快的响应速度(上升时间315μs,下降时间4 ms)。
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