超细β-Ga2O3纳米线及其紫外探测器的制备和特性研究

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β-Ga2O3作为第三代半导体材料,拥有作为光电探测器所需要大的禁带宽度(在室温下的禁带宽度达到4.9e V),且截至边波长落在254nm左右,使其成为光电探测器的理想材料。β-Ga2O3材料存在着多种形态,如:体单晶、薄膜、纳米材料等,相比于薄膜和体材料,纳米材料拥有更好的结晶质量和量子尺寸效应等优异性能。纳米材料的尺寸越小其表现出的五种纳米效应就越显著,本论文采用化学气相沉积(CVD)法在低成本的石英、硅和蓝宝石衬底上分别制备出了超细β-Ga2O3纳米线,并基于生长的纳米线制备出不同结构的紫外探测器,并对器件的紫外探测性能进行了研究:(1)采用CVD法在蓝宝石(Al2O3)衬底以金为催化剂,原位生长出了直径约为20nm的超细β-Ga2O3桥式纳米线,再利用生长的桥式结构纳米线制作出了MSM结构光电导型的紫外探测器。研究发现该器件对254nm的紫外光具有良好的响应,在10V偏压下器件的光暗电流比可达到4.3×10~4。还发现探测器的响应度和外部量子效率随光功率密度增大而减小,当光强为100μW/cm~2,其响应度为53.4m A/W。此外,探测器对紫外光拥有快速响应,响应时间和恢复时间分别为为0.10s和0.21s。该实验为β-Ga2O3纳米线阵列型器件的研究提供了思路。(2)利用化学气相沉积法在p型硅衬底上生长出了大面积、高密度且直径范围在10-40nm的超细β-Ga2O3纳米线,基于制备的纳米线制成自驱动β-Ga2O3纳米线/p-Si异质结型紫外探测器。通过对器件测试研究发现器件表现出良好的整流特性,在零偏压、254nm(光功率550μW/cm~2)紫外光照下,其光电流为1.42μA,光暗电流比为6.09×10~2,且表现出良好的自驱动特性。该紫外探测器的响应时间为0.42s,恢复时间为0.50s。此外,在100μW/cm~2光强下器件的响应度R254为0.57A/W,外部量子效率为278%。(3)使用CVD法在廉价的石英衬底上制备出超细β-Ga2O3纳米线,基于该纳米线制备出MSM结构光电导型的日盲紫外探测器。实验结果表明,石英衬底上生长的纳米线直径分布在10-20nm左右。超细β-Ga2O3纳米线基紫外探测器同样拥有良好的紫外探测性和稳定性,在254nm紫外光照下,器件的光暗电流比为8×10~3;器件的响应度可达1.70A/W,比检测率为4.35×1012Jones,同时器件对紫外具有快速反应,响应时间为0.12s,恢复时间为0.08s。本实验证明了在低成本的石英衬底也可以生长出大面积、高密度的β-Ga2O3纳米线,且基于该纳米线成功制备出了性能优异的紫外探测器,这为低成本β-Ga2O3基紫外探测器的研制提供了思路。
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