MgGa2O4基日盲紫外光电探测器的设计、制备和特性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:lwk2293366
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日盲紫外光电探测器因其具有低背景噪声、高灵敏度、强抗干扰能力等优势,在导弹预警、空间保密通信、环境监测以及火灾监测等军事和民用领域具有巨大的应用前景。尖晶石型复杂氧化物镓酸镁(MgGa2O4)是典型的超宽禁带半导体,它不仅具有超宽的带隙(>4.9 e V)、高的热和化学稳定性、强的抗辐照能力以及良好的机械性能,还有望通过调整Mg和Ga两种阳离子的比例实现材料特性的有效调控。这些优异的特性使得MgGa2O4材料在制备高性能日盲紫外光电探测器方面展现出巨大的潜力。长期以来,人们都把MgGa2O4视为一种单纯的优异的发光材料,只有极少数关于MgGa2O4的半导体器件被报道,包括气体传感器、自旋电子器件等,有关MgGa2O4光电器件的研究未有报道。鉴于MgGa2O4材料在日盲紫外光电探测领域的巨大发展潜力,本论文以高性能MgGa2O4日盲紫外光电探测器的研制为目标,围绕MgGa2O4薄膜的金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长、薄膜退火工艺的优化、Mg离子含量的调控,以及相应紫外探测器的制备、器件结构的优化等开展相关研究,具体内容包括:(1)利用MOCVD在c面蓝宝石衬底上制备了尖晶石结构的MgGa2O4薄膜,并对薄膜在不同气氛下进行了高温退火处理,在此基础上制备了平面型金属-半导体-金属(MSM)结构日盲紫外光电探测器。通过对原生,O2气氛退火和N2气氛退火的三种MgGa2O4薄膜特性及其光电探测器件性能的对比研究,发现高温退火处理可以提高MgGa2O4薄膜的结晶质量,进而明显提高了器件的性能,其中O2气氛退火器件具有最低的暗电流、最高的紫外-可见抑制比以及最快的响应速度,这与O2气氛退火有效降低薄膜中氧空位缺陷密度相关。(2)进一步研究了O2气氛下退火温度和退火时间对于薄膜性质的影响,发现在900℃退火处理15 min的MgGa2O4薄膜具有更高的结晶质量。基于该薄膜制备了平面非对称电极结构的自供能MgGa2O4日盲紫外探测器,器件在0 V时峰值响应度约为3.3 m A/W,紫外-可见抑制比(R250 nm/R400 nm)约10~4,并且具有非常快的响应速度。(3)通过调控MOCVD生长过程中的Mg源流量制备了不同Mg组分的MgxGa2O4薄膜,x分别为0.6、0.8、1、1.1和1.4。X射线衍射测试结果表明所有样品均保持MgGa2O4的尖晶石结构。基于上述薄膜制备了MSM结构MgxGa2O4日盲紫外光电探测器,其中,x=1的MgGa2O4薄膜的器件具有其中最高的响应度,而随着Mg组分偏离化学计量比,探测器的光电探测性能呈下降趋势。
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