溶胶凝胶法生长氧化镁锌及紫外光电探测器研究

作     者：吴俊慷 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：洪荣墩;吴正云

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：氧化镁锌 溶胶凝胶法 紫外光电探测器 碳化硅 雪崩 

摘      要：以氧化锌、碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体,比传统的硅和砷化镓具有更宽的带隙,更高的临界击穿电场,更快的载流子迁移速度,更高的热导率和更稳定的物理化学性质,应用于电力电子器件、射频器件、光电器件等方面能使器件具有更加优越的性能,在新能源动力、航空航天、科研.医疗、军事等诸多领域都有十分广阔的应用前景。本文主要研究溶胶凝胶法生长氧化镁锌薄膜的工艺机制,对不同镁含量氧化镁锌(MgxZn1-xO)薄膜进行设计与表征,研制MgxZn1-xO MSM紫外光电探测器并分析其光电特性,本文还研究设计了宽禁带半导体雪崩倍增分离(SAM)结构的雪崩光电探测器(APD)并进行结构优化仿真与分析,得出了优化的器件结构。本文的主要成果如下:1、对溶胶凝胶法的工艺流程进行了深度优化。结合具体实验条件,探索出了一套制备MgxZn1-xO薄膜的优化工艺。由于传统溶胶凝胶法工艺不能完全适用于本实验的具体条件,本文在传统工艺的基础上,对溶胶凝胶法制备工艺进行了优化,具体包括退火、旋涂、前烘、溶液静置时间以及衬底亲水性处理等工序,成功制备了性能优良的MgxZn1-xO薄膜。2、设计和制备了不同镁含量(x=0.05,0.10,0.15和0.20)的MgxZn1-xO薄膜,并对薄膜的形貌与晶体结构特性进行了表征。通过SEM、XRD、Raman和透射谱分析,薄膜具有纳米颗粒堆叠的表面形貌,没有明显裂痕。晶格结构方面,薄膜依然保持着ZnO的六角纤锌矿结构。不同镁含量的MgxZn1-xO薄膜具有不同的光学禁带宽度(3.38,3.44,3.50和3.55 eV)。3、设计并研制了MgxZn1-xO MSM紫外光电探测器,对器件性能进行了测试与分析。通过对器件相对光谱响应的分析得知,随着镁含量的提升,器件的截止波长和最大光电流波长均出现蓝移,体现出薄膜禁带宽度增大。器件响应度达到0.31 A/W,对应量子效率109.0%,具有光电导增益。器件暗电流密度低至5 nA/cm2,这是目前国际上报道的最低值之一。暗电流有随镁含量的增加而降低的趋势,这是由于肖特基势垒增大所导致。器件的归一化探测率(D*)达到1.5X1011 cm·Hz1/2/W,这也是目前报道的最高值之一。器件具有优秀的性能,主要得益于创新性的优化工艺所带来的MgxZn1-xO薄膜质量的提升。4、通过设计与仿真,研究宽禁带半导体(4H-SiC)SAMAPD的倾角结构对电场分布与击穿电压的影响。结果表明,正倾角结构有助于减小边缘电场强度,抑制边缘提前击穿现象,保证器件的击穿为体击穿,且击穿电压与角度无关。负倾角结构一般会增大器件边缘电场强度,从而致使边缘提前击穿,导致无法实现器件的体雪崩效应。所以在实际应用中,应当采用正倾角结构,避免采用负倾角结构。本文通过优化溶胶凝胶法工艺,成功生长了高质量的MgxZn1-xO薄膜,并在此基础上研制出了具有优秀探测性能的MgxZn1-xO紫外光电探测器。另外,本文还从仿真角度得出了 APD应采用正倾角台面结构才可有效避免器件提前击穿的结论。