【摘 要】
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由于臭氧层对日盲紫外辐射区(200 nm～280 nm)的强烈吸收作用,日盲紫外探测技术具有抗环境干扰和全天候工作的特点,在环境监测、电力工业、紫外通信等领域具有广泛而又十分重要的应用。β相氧化镓(β-Ga2O3)为直接带隙半导体,禁带宽度约为4.9eV,且具有优异的热稳定和化学稳定性,是一种理想的日盲光电探测材料。虽然β-Ga2O3薄膜已经展现出优异的日盲探测应用前景,但其器件性能仍有待进一步提
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由于臭氧层对日盲紫外辐射区(200 nm～280 nm)的强烈吸收作用,日盲紫外探测技术具有抗环境干扰和全天候工作的特点,在环境监测、电力工业、紫外通信等领域具有广泛而又十分重要的应用。β相氧化镓(β-Ga2O3)为直接带隙半导体,禁带宽度约为4.9eV,且具有优异的热稳定和化学稳定性,是一种理想的日盲光电探测材料。虽然β-Ga2O3薄膜已经展现出优异的日盲探测应用前景,但其器件性能仍有待进一步提高。本论文采用不同衬底引入不同晶格失配度来调控β-Ga2O3薄膜的取向和晶体质量,研究了高质量薄膜的最佳生长温度。并且深入研究了晶格失配和晶体取向对β-Ga2O3外延薄膜的日盲光电性能调控,为开发高性能的日盲紫外探测器开辟了道路。主要的研究成果如下:(1)以(100)MgO和(100)MgAl2O4单晶为衬底,利用磁控溅射法在不同衬底温度下制备了(100)β-Ga2O3薄膜并进行了 XRD测试,获得其最佳生长温度为750℃。在最佳生长温度下,利用磁控溅射法在(100)MgO和(100)MgAl2O4单晶衬底上制备了高质量单一取向的(100)β-Ga2O3薄膜,在(100)STO、(100)LSAT上生长的β-Ga2O3薄膜含有其他取向。(2)以(0001)Al2O3单晶为衬底,利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在不同衬底温度下制备了(201)β-Ga2O3薄膜并进行了 XRD测试,获得其最佳生长温度为750℃。在最佳生长温度下,以未斜切以及4°和6°表面斜切的c面蓝宝石为衬底,利用MOCVD法制备了(201)β-Ga2O3薄膜。θ-2θ扫描、摇摆曲线和极图测试结果表明6°斜切蓝宝石衬底上生长的β-Ga2O3薄膜结晶性最好。其原因主要与斜切衬底表面的原子台阶带来高密度成核中心有关。(3)采用磁控溅射法在(0001)α-Al2O3,(100)MgO 和(100)MgAl2O4三种单晶衬底上获得了(100)和(201)β-Ga2O3薄膜。与(201)β-Ga2O3薄膜相比,(100)β-Ga2O3薄膜具有更大的晶粒尺寸和更少的面内畴结构,表现出更优的结晶质量。然后通过光刻技术在不同取向的β-Ga2O3薄膜上制备Au/Ti叉指电极,并测试其日盲紫外探测性能。性能测试结果表明(100)取向的β-Ga2O3薄膜与(201)取向薄膜相比,表现出明显的日盲光电响应度增强效果。其中,MgO上生长的(100)β-Ga2O3探测器的性能最优,在强度为300 μW/cm2的254 nm光照下,表现出最高的响应度、外量子效率、探测灵敏度和日盲紫外抑制比(分别为0.1 A.W-1,0.49,4.3×1012 Jones,2×104),比Al2O3上生长的(201)取向的β-Ga2O3探测器的性能高一个数量级。
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