氧化镓薄膜的制备与表征

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氧化镓(Ga2O3)作为一种新型半导体材料由于具有热稳定性好、化学性质稳定、击穿电压高等优点被广泛应用于各种功率器件中。其禁带宽度为4.5 eV-4.9 eV,在可见光范围内有着很高的透过率。相较于AlGaN和ZnMgO等材料,Ga2O3制备工艺简单,因此Ga2O3在太阳能电池、光电探测器等方面有着很好的应用前景。本文用磁控溅射法在c面蓝宝石(Al2O3)衬底上制备了厚度为164 nm的Ga2O3薄膜,通过管式炉对样品进行不同温度不同氛围的高温退火。利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)等表征方法对样品进行分析,研究后退火温度(PAT)对Ga2O3薄膜的晶体结构、表面形貌以及光学性质的影响。在此基础之上,采用电子束蒸发在样品上沉积了Ti/Ni(30 nm/80 nm)层,并通过剥离工艺(lift-off)剥离出了Ti/Ni叉指电极,制备成具有金属-半导体-金属(MSM)结构的紫外光探测器,并对薄膜的紫外光电特性进行了研究。从器件结构角度出发,本文通过改变器件尺寸,研究了器件的缩放特性。主要可分为以下几个部分:(1)用磁控溅射法分别在400℃、500℃和600℃条件下制备了Ga2O3薄膜。通过XRD分析可知,随着溅射温度的升高,薄膜衍射峰强度增加,结晶质量变好。(2)分别在空气和氮气氛围中对Ga2O3薄膜样品进行了不同温度的后退火处理,PAT分别为800℃、900℃、1000℃和1100℃。并通过一系列测试对薄膜的性质进行了分析。结果表明:在不同氛围下进行高温退火的样品,退火后晶向并没有发生明显的变化,均为{201}晶面族占优的多晶β-Ga2O3薄膜。随着退火温度的升高,晶粒尺寸均有先增大后减小的趋势。薄膜的紫外截止波长在λ=260 nm附近。在空气氛围中退火的样品具有更好的结晶质量。随着退火温度的增加,Ga2O3薄膜的光学禁带宽度由4.65 eV增加到了5.10 eV,光学吸收边发生明显的蓝移。(3)基于在空气氛围中退火后的Ga2O3样品,制备了MSM型日盲紫外探测器。研究了退火温度对Ga2O3薄膜光电性质的影响。实验表明,随着退火温度的升高,探测器对紫外光的截止波长出现蓝移,由267 nm蓝移至235 nm。同时薄膜的光谱响应峰半峰宽减小,说明退火处理改善了器件对紫外光的选择性。当PAT低于1100℃时,退火后样品的光电流和暗电流均明显增大。相对于未退火的样品,退火后的样品具有更大的光暗电流比以及更快的响应时间。退火温度为1000℃时,器件的光暗电流比最大,光响应峰值对应的紫外光波长为λ=247 nm。器件对波长λ>290 nm的入射光几乎无响应,紫外选择性更好。以上结果表明退火后的薄膜具有良好的光电特性,为制备宽禁带深紫外材料提供了一种有效、便捷的方法。(4)本实验在保证制备工艺不变的条件下通过改变探测器叉指宽度以及对器件尺寸进行等比例缩小两种方法,在同一衬底材料上制备了不同尺寸的日盲紫外探测器。并对探测器的光暗电流、光谱响应以及时间响应进行了测试。测试结果表明,器件尺寸的改变不会影响器件的紫外光响应范围,各器件光谱响应峰位置相近。在受光面积一定的条件下,叉指密度越大,器件的光响应度越大。器件等比例缩小后,与原尺寸器件相比,光暗电流、光暗电流比、以及响应时间均为发生明显的变化。
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