Ga2O3纳米柱阵列、α/β相结及其日盲紫外探测器

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:momoko120
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由于臭氧层的吸收,波长为200 nm-280 nm的光到达不了地球表面,该波段称为日盲区。对于日盲区的深紫外探测因不受太阳光背景的影响,具有信噪比高、误报率低、可全天候工作等优点,可广泛应用于导弹预警跟踪、紫外通讯、港口破雾导航等军用及臭氧空洞监测、消毒杀菌紫外线强度监测、高压电晕检测、森林防火紫外监测等民用领域。Ga2O3是一种新型的超宽禁带氧化物半导体,具有高的热稳定性和化学稳定性,其禁带宽度约为4.9 eV,截止波长对应日盲区,是一种天然的日盲紫外探测材料。相比于近几年研究热门的化合物日盲探测材料(如:AlGaN、MgZnO等),Ga2O3不需要任何掺杂来调节带隙,避免了高组分合金过程中带来的相分离和难以外延成膜。近年来,国内外在基于Ga2O3材料的日盲紫外探测器研究方面已有一些报导。研究表明基于结效应的异质结探测器能快速、有效地分离光生载流子,能提高器件的性能,却存在异质结材料晶格不匹配,光谱响应曲线拓宽至紫外区等问题,导致器件的制备及日盲区的保持变得困难。鉴于Ga2O3具有多种晶型及相变的特点,本论文提出构筑Ga2O3相结结构,较小的晶格失配度和相近的带隙将解决异质结中存在的问题,相结界面处匹配的能带结构将促进载流子快速分离,同时基于该结构的探测器将伴有自供电的特性。另一方面,一维纳米柱阵列结构具有大的比表面积、低的光反射率及高的有效光耦合作用等优点,对入射光的利用率极高,因此我们利用纳米柱阵列构建Ga2O3相结。本文制备了密度可控的Ga2O3纳米柱阵列及核壳厚度可控的α/β-Ga2O3相结纳米柱阵列,并研究了其液态、固态两种类型紫外探测器的性能,主要内容及成果如下:1、研究了籽晶层浓度、反应浓度、反应时间、退火温度、退火时间对Ga2O3纳米柱阵列密度、晶相、结晶质量的影响。结果表明,纳米柱阵列的最佳制备条件为籽晶层浓度0.1M、反应浓度0.3 g/30 mL、反应时间12 h。GaOOH分别在400℃、700℃退火4 h而转变成α、β相。将α-Ga2O3纳米柱阵列在700℃退火不同时间或在800℃附近退火10 min,而获得了β-Ga2O3包裹着α-Ga2O3的α/β-Ga2O3核壳相结纳米柱阵列。2、利用电解液与纳米柱阵列之间形成的大面积固液接触,我们制备了基于Ga2O3纳米柱阵列、α/β相结的两种光电化学型日盲紫外探测器。探测器表现出良好的稳定性、重复性及自供电特性。与α-Ga2O3纳米柱阵列相比,高温退火制得的β-Ga2O3纳米柱阵列具有高的结晶质量和低的氧缺陷,探测器的暗电流更低,光暗比、光响应度和外量子效率更高。而α/β相结由于具有第二类型能带结构,可以加速光生电子空穴对的分离,提高了器件的光电流密度、光响应度以及外量子效率。3、利用垂直纳米柱阵列高的光吸收效率、高的电子收集与定向传输能力,我们制备了平面、垂直两种结构的固态日盲紫外探测器。与平面结构的基于β-Ga2O3纳米柱阵列的固态日盲紫外探测器相比,其垂直结构可以在无外加偏压的情况下工作。另外,同为平面结构的α/β-Ga2O3纳米柱阵列探测器表现出一定的自供电特性,且在外加偏压为5 V、光强为1.2 mW/cm2的254 nm光照下,表现出更高的光电流(16.60 pA)、光暗比(14.33)以及更大的光响应度(97.55μA/W)和外量子效率(47.62×10-5)。
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