氧化镓/钛基柔性紫外探测器件的研究

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氧化镓(Ga2O3)禁带宽度为4.9 e V,紫外吸收边对应为253 nm,是天然的深紫外探测材料,已然成为光电领域的研究热点。近年来,消费者对智能化便携式可穿戴设备、智慧医疗等领域的需求激增,使柔性光电传感器件迎来了新的发展机遇。然而,现报道的Ga2O3基紫外探测器多数是在刚性衬底(如:Al2O3、Si、FTO等)上制备的,此类器件无法弯曲,限制了其在柔性光电场景中的应用。尽管已有柔性衬底上生长Ga2O3制备探测器的探索,但所使用的柔性衬底均为不导电的高分子聚合物材料(如:PI、PEN、PET等),这给器件结构设计及性能提升带来了不便。本文探索了在导电、柔性的钛片衬底上生长Ga2O3材料,并尝试制备了2种不同类型的Ga2O3基深紫外光电探测器,对材料特性及器件光电性能等方面展开研究,主要内容如下:1、基于Ti/非晶氧化镓薄膜/Ag的金属-半导体-金属(MSM)型深紫外光电探测器。常温下采用磁控溅射法在钛片上沉积氧化镓薄膜,随后蒸镀银叉指形电极,构筑Ti/非晶氧化镓薄膜/Ag的MSM结构光电探测器件,并研究了退火对探测器性能的影响。该探测器对深紫外光展现了良好的响应,2 V偏压下,器件对254nm光响应度为0.25 m A/W,响应时间为0.65 s/1.13 s。在700℃下退火5 h后,非晶氧化镓薄膜转化为结晶的β-Ga2O3,薄膜中的缺陷浓度下降,器件的光电性能提升,暗电流从127.90 n A下降为9.57 n A,响应度提升4.5倍,响应速度得到提升。此外,该探测器展现出良好的机械性能,在弯曲状态下的光电性能与平整状态下基本一致。2、基于Ti/Ga2O3纳米柱阵列的光电化学型(PEC)深紫外光电探测器。采用水热法和快速退火法在钛片上生长了Ga2O3纳米柱阵列,构筑Ti/Ga2O3纳米柱阵列的PEC型深紫外光电探测器,并研究了退火和电解质溶液对探测器性能的影响。以Na2SO4溶液作为电解液时,构筑的PEC型光电探测器具有明显的日盲光响应特性,且可在0 V偏压下工作。400℃退火后的Ga2O3基探测器在0 V偏压下,对254 nm光暗比为160,光响应度达到28.1 m A/W,探测率为2.0×1010cm·HZ1/2·W-1,响应时间常数为0.303 s/0.329 s。随着退火温度的提高,探测器的光电流不断增加,在700℃退火的Ga2O3基探测器的光电流密度达到了180.1μA/cm~2。这是因为,随着退火温度的升高,Ga2O3纳米柱中缺陷减少,空穴与电子复合机率降低。此外,我们发现电解质溶液也影响了探测器的光电性能。将电解液更换为Na OH溶液后,探测器的光电流得到提升,这是因为Na OH电解液中OH-离子和OH*自由基更丰富,可以提高电荷输运效率。
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