SiC低维纳米结构光电探测器件研制及其性能研究

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SiC是第三代半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、本征载流子浓度低、抗辐照能力强、化学稳定性好等优异物理特性,且与当前成熟的硅基平面工艺相兼容,是研发高温、高频、耐高压、抗辐照,大功率等电子器件的理想材料,在用作苛刻工作条件下的光催化剂,气敏检测器、显示器、气敏传感器和导弹尾焰探测装置等领域具有重要应用前景。SiC低维纳米结构不仅保留了其块体结构的优异性能,还兼具低维纳米结构的独特优势,有望为新颖高效的微电子器件研发带来契机。本论文以化学气相沉积法制备SiC单晶纳米线,通过工艺参数的探索和优化,实现高品质SiC单晶纳米线的制备。在器件设计和组装上,通过光刻和电子束沉积技术,实现单根SiC纳米线光电探测器的研制;通过溶液组装方法,实现了SiC单晶纳米线薄膜光电探测器的研制,通过介电泳力自组装技术,实现了基于Si/SiO2和柔性基底上的SiC有序纳米线阵列光电探测器研制。研究结果表明,所研制的光电探测器具有高灵敏、快响应、可重复性高等系列特点。综合本论文工作,其主要结果如下:(1)以稻米壳烧灼后的白粉、碳纤维为原料,通过化学气相沉积,成功地制备了高质量的3C-SiC单晶纳米线。其结构表征分析结果表明,所制备的SiC纳米线为单晶,为立方相结构。(2)所研制的单根SiC光电探测器具有良好的性能:快速的上升和下降光响应时间,分别为0.2s和0.09s;较高的光谱响应度(Ri)和外量子效率(EQE),在5.0V偏压和420nm蓝光光照下,其Ri和EQE分别为3.3106A/W和9.7108%,表明所研制的器件具有良好的灵敏度。实验证明,所研制的光电探测器,能够胜任200℃的高温服役条件。(3) SiC单晶纳米线薄膜光电探测器对于420nm光照下光响应十分灵敏,具有优异的可重复性和稳定性,光生电流和光功率密度为近线性关系。(4)与基于单根SiC纳米线的光电探测器相比,基于Si/SiO2和柔性基底上的SiC有序纳米线阵列的光电探测器性能得到显著增强;基于柔性基底上的SiC有序纳米线阵列光电探测器具有良好的机械柔韧性和电学稳定性,与基于Si/SiO2基底上的SiC有序纳米线阵列的光电探测器相比,其光、暗电流有所增加,可能是纳米线和柔性基底的接触较差所致。
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