锡掺杂氧化镓微米线日盲探测阵列研究

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虽然紫外辐射只占太阳辐射的不到10%,却对人类的生产、生活产生了深远的影响。由于臭氧层和大气层的吸收,紫外波段200-280 nm范围的太阳光无法到达地球表面,因此被称为日盲波段。响应截止波长在280 nm以下的紫外光电探测器被称为日盲光电探测器,由于不受太阳辐射的影响,具有信噪比高、虚警率低等独特的优点,在通信、臭氧空洞监测、火焰监测、化学生物分析等领域有广泛的应用前景。常用于制备日盲光电探测器的超宽禁带半导体有ZnxMg1-xO,AlxGa1-xN,金刚石、氧化镓(Ga2O3)等。其中,Ga2O3的禁带宽度为4.4-5.1 e V,对应于波长为243-280 nm的日盲光,将其用于日盲探测可以避免相对复杂的掺杂或合金工艺。因此,Ga2O3被视为日盲信号检测的理想选择,近年来得到了广泛的研究。与块体或薄膜材料相比,半导体的微/纳米结构具有大的表面积体积比、高的结晶质量和各向异性的几何结构,因而具有独特的光学和电学特性。目前,基于Ga2O3微米线的光电探测器已经有了一些报道,它们具有极低的暗电流和高的开关比,但性能仍待进一步提高。此外,由于Ga2O3微米线通常是随机生长在衬底上的,难以实现可控排列的光电子器件集成。制备日盲探测器阵列,需要一种能大面积组装Ga2O3微米线的方法。针对以上问题,本论文研究目标为制备高性能的Ga2O3微米线日盲探测器,并基于此实现Ga2O3微米线探测器阵列,所取得的主要研究成果如下所示:(1)采用化学气相沉积技术(CVD)生长锡掺杂Ga2O3微米线并制备了光电探测器。所生长的锡掺杂Ga2O3微米线长达1厘米,结晶质量良好。利用单根的锡掺杂Ga2O3微米线制备了日盲紫外光电探测器,并对其光电性能进行表征。结果表明:锡掺杂的Ga2O3微米线相比于未掺杂的Ga2O3微米线的光电流提升了大约五个数量级;锡掺杂Ga2O3微米线所制备的光电探测器的光暗电流比达10~7;在40 V偏压下,响应度高达2409 A W-1。器件的日盲抑制比为41.4,紫外可见抑制比超过3个数量级,截止波长为268 nm,上升时间仅为7.9 ms,表明该光电探测器对日盲光有较高的光谱选择性以及较快的响应速度。(2)利用图形电极方法制备Ga2O3微米线日盲探测阵列。通过将上述锡掺杂Ga2O3微米线转移到预先制备的图形衬底上,制备了1×10的日盲紫外光电探测器的线性阵列。对10个光电探测器单元的探测性能进行表征,结果表明探测器的光、暗电流均具有良好的均匀性,并且探测器的周期测试也显示出良好的稳定性,说明探测阵列的每个单元都可以作为一个像素独立工作。通过搭建日盲紫外成像系统,并利用该1×10线性阵列作为传感器单元,实现了对不同图形的日盲成像。
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