基于氮化硼薄膜的深紫外探测器阵列研究

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随着信息科学的不断发展,基于新材料的半导体器件研究成为必然趋势。在各种新型半导体材料中,六方氮化硼因其宽禁带、高热导率、二维性等诸多优点备受关注。基于六方氮化硼薄膜的深紫外探测器阵列的探测范围能够覆盖现有商用紫外探测器响应较弱的200-220nm波段,并且可以在紫外短距离保密通信、舰载导引、臭氧层监测和水污染处理等领域得到充分应用。论文以实现基于六方氮化硼薄膜的深紫外探测阵列为研究目的,分别从六方氮化硼薄膜的制备技术、六方氮化硼与金属的接触特性、深紫外探测器阵列研究三个阶段,层层递进地展开研究。首先,利用磁控溅射方法成功制备了六方氮化硼纳米晶薄膜,并且通过改进工艺参数有效地抑制了样品的富硼问题;然后,基于六方氮化硼薄膜样品,分析了薄膜的表面功函数和能带位置,明确了铜电极与六方氮化硼薄膜的接触类型为肖特基接触;最后,设计并实现了基于六方氮化硼的深紫外探测阵列和匹配的驱动电路。论文阐明了磁控溅射方法下氮化硼生长工艺原理和实验设备可控参数之间的关系,不断地对薄膜样品制备的工艺参数进行实验探索,抑制富硼带来的负面影响,以约120nm/h的生长速度成功制备了BN原子接近化学计量比的六方氮化硼薄膜,为未来研究提供了切实可行的技术经验。进一步,结合第一性原理和实验测试结果,确定了六方氮化硼能带相对于真空能级的位置,应用半导体理论中的金半接触理论,建立并验证了铜和六方氮化硼的肖特基接触模型。通过实验,将六方氮化硼的典型的半导体参数和六方氮化硼与金属电极的接触性质交叉验证,确认薄膜表面粗糙度约1.13nm,相对介电常数长波极限约为3.07,禁带宽度约为5.86e V,导带位置约-3.83e V,价带位置约-9.69e V,表面功函数约为6.76e V,与金属铜接触形成,肖特基势垒的高度估计为0.59e V。再进一步进行了器件性能参数的研究,4×4的探测阵列在200nm-230nm入射光范围内,响应度超过20u A/W,噪声功率水平在1-10n W范围,探测器内增益估值范围为6×10E-3。最后设计并实现了和深紫外探测器阵列匹配的、基于STM32微控制器控制的驱动电路,确定光电响应的上升沿为7.6ms,下降沿25.3ms。
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