【摘 要】
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紫外探测技术广泛应用于环境监测,紫外通讯和火焰探测等方面。宽禁带半导体是传统的光电探测器材料,在紫外探测上具有本征探测、抗辐射、转化效率高、体积小和工作电压低等优势。石墨烯具有良好的导电性、透光性和热导率,是新兴的二维材料。将两者结合,实现石墨烯与宽禁带半导体复合结构的光电探测器,能充分利用半导体的高探测效率和石墨烯的高载流子传输能力。在探测器中引入纳米结构和p-n结能增大材料的吸光面积,增强耗尽
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紫外探测技术广泛应用于环境监测,紫外通讯和火焰探测等方面。宽禁带半导体是传统的光电探测器材料,在紫外探测上具有本征探测、抗辐射、转化效率高、体积小和工作电压低等优势。石墨烯具有良好的导电性、透光性和热导率,是新兴的二维材料。将两者结合,实现石墨烯与宽禁带半导体复合结构的光电探测器,能充分利用半导体的高探测效率和石墨烯的高载流子传输能力。在探测器中引入纳米结构和p-n结能增大材料的吸光面积,增强耗尽层的电场强度。本论文以实现高性能探测器为目的,系统研究了AlGaN和β-Ga2O3材料的制备、纳米结构和异质结的优化,以及这两种宽禁带半导体和石墨烯复合结构光电探测器的性能。论文完成的研究工作和取得的研究成果包括以下几方面。（1）基于分子束外延（MBE）设备制备了高质量的GaN纳米线阵列和AlGaN/GaN纳米线阵列,对生长的纳米线进行了表征,证明纳米线的晶体质量优异。通过将纳米线阵列与石墨烯结合,制备了基于石墨烯/GaN纳米线阵列的光电探测器。器件测试结果表明石墨烯和GaN之间形成了良好的肖特基结。该结构不仅对GaN在360 nm紫外波段的光响应度有极大提升,同时,对石墨烯在1540 nm红外波段的光响应能力提升也非常显著,从而实现了紫外-红外双波段探测。为实现日盲紫外探测,进一步生长了Al含量为40%的AlGaN/GaN纳米线阵列,将石墨烯与AlGaN/GaN纳米线阵列相结合,验证了石墨烯与AlGaN纳米线的肖特基接触特性,实现了探测器在近日盲波段的响应。（2）基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备优化了β-Ga2O3纳米线的生长条件,制备出β-Ga2O3纳米线阵列。用时域有限差分方法计算分析了纳米线密度对光场局域的影响。利用图形化衬底技术提高纳米线阵列密度,并成功将石墨烯转移到β-Ga2O3纳米线阵列表面,制备了基于石墨烯/β-Ga2O3纳米线阵列的日盲紫外探测器。相关工作为后续高性能β-Ga2O3日盲紫外探测器的研究打下了基础。（3）利用MOCVD设备,探索生长温度,反应室压强和气体流量对β-Ga2O3薄膜生长的影响并对生长条件进行了优化。利用Ga液滴自腐蚀的方法实现了β-Ga2O3无序纳米孔薄膜,制备出基于石墨烯/β-Ga2O3的无序纳米孔薄膜日盲紫外探测器。分析了有序纳米孔阵列参数影响器件性能的原因。优化纳米孔阵列结构,引入气态Ga修复等离子刻蚀损伤,制备了基于石墨烯/β-Ga2O3有序纳米孔阵列薄膜的日盲紫外探测器,提高了普通β-Ga2O3薄膜探测器的响应度。（4）采用两步生长法在p-GaN薄膜上生长了高质量的薄层β-Ga2O3薄膜,制备了β-Ga2O3/p-GaN的p-n结。通过XPS测试,分析了β-Ga2O3/p-GaN异质结的能带差。将β-Ga2O3/p-GaN异质结结构与纳米孔技术相结合,制备出基于石墨烯/β-Ga2O3有序纳米孔阵列/p-GaN的光电探测器。相对于石墨烯/β-Ga2O3有序纳米孔阵列薄膜探测器,该探测器的响应度,探测效率、量子效率及其响应时间都得到了提升,实现了254 nm和360 nm的紫外双波段探测。论文在宽禁带半导体探测器理论和工艺实践上开展了深入而系统的研究,为与石墨烯结合的带有纳米结构的宽禁带半导体探测器性能的提升做出了有益的探索,为该类探测器的发展提供了有参考价值的研究成果。
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