高性能六方氮化硼深紫外光电探测器的研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zoxn2008
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近年来,六方氮化硼(hBN)作为一种新兴的Ⅲ-Ⅴ半导体材料,以其优异的材料特性逐渐走进科研工作者的视线。hBN具有极高的电阻率、较低的介电常数、优异的热稳定性、化学稳定性与抗辐射能力,带隙约为6 e V,本征吸收边位于210nm附近,并且在吸收边附近具有极高的吸收系数(约7.0×10~5cm-1),在深紫外光电探测领域有极大的潜力。但是目前国内外在制备大面积高质量的hBN薄膜方面研究尚有不足,并且制备的hBN深紫外光电探测器普遍具有以下几个问题:(1)响应度偏低;(2)截止波长较长;(3)泄漏电流较大(4)响应速度较慢。本论文采用射频磁控溅射方法制备hBN薄膜,对制备工艺进行了优化,并通过对器件结构与电极的优化,提升了hBN深紫外光电探测器的性能。论文的主要研究内容取得的主要研究成果包括:1.采用射频磁控溅射hBN靶材和反应磁控溅射硼靶两种方法,在蓝宝石衬底上制备出较高质量的hBN薄膜,并优化了工作气体组分、衬底温度和溅射功率等工艺参数。实验结果表明,随着衬底温度的提升、溅射功率的增加以及N2组分的提高,薄膜的质量有明显的提升,对应E2g模式的拉曼特征峰的半峰宽由42.6 cm-1降低至22.9 cm-1,吸收截止波长由212.6nm红移至为217.3 nm,光学带隙由5.93e V降低为5.81 e V,平均横向晶粒尺寸最大由43nm增加至约100 nm。平均晶粒尺寸的增加有利于光生载流子的收集和探测器响应度的提升。基于反应磁控溅射硼靶的方法,在100sccm纯氮气氛围下、衬底温度为600℃、溅射功率为200W条件下制备的薄膜质量最优。2.基于优化工艺生长的hBN薄膜,制备了具有常规金属-半导体-金属(MSM)结构的深紫外光电探测器。对比了不同叉指电极宽度/叉指间距(100μm/100μm、20μm/20μm、10μm/10μm)对探测器光电特性的影响,结果表明,响应度随叉指电极间距的缩小而提高。在184.9nm的紫外笔灯辐照下,300V时,10μm/10μm指宽/指间距的MSM结构hBN深紫外光电探测器响应度为18.90m A/W。3.研究了hBN薄膜的刻蚀工艺,并以此为基础制作了嵌入式MSM结构hBN深紫外光电探测器。该结构考虑了六方氮化硼内载流子迁移率各向异性的特性,即六方氮化硼层内的载流子迁移率远高于层间迁移率,因此产生于叉指之间的电子-空穴对在层内输运后即可被电极收集。并且由于电极沉积在hBN刻蚀的沟槽内,使得电极和hBN结合得更为牢固,可以避免电极的脱落、划损,增大光生载流子收集范围,使hBN深紫外光电探测器的光电响应得到提高。在184.9nm的紫外笔灯辐照下,300V时,10μm/10μm指宽/指间距的嵌入式MSM结构hBN深紫外光电探测器的响应度提高为24.2m A/W。4.发现并验证了Al电极的表面等离子体共振效应对于hBN深紫外光电探测器响应度的增强作用,并进行了初步的探究。基于Ti/Al电极的指宽/指间距为10μm/10μm的嵌入式MSM结构hBN深紫外光电探测器,在波长为184.9nm紫外笔灯光源辐照下,300V时的响应度达到226.70m A/W,响应速度较快,上升时间为56ms,下降时间为54ms。经测试,探测器对于波长≥254nm的光源没有响应。
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