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N掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜日盲紫外探测器性能的影响

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物理学报 2021年第17期70卷 313-321页

作者：周树仁张红莫慧兰刘浩文熊元强李泓霖孔春阳叶利娟李万俊重庆师范大学物理与电子工程学院重庆市光电功能材料重点实验室重庆401331

单斜氧化镓(β-Ga_(2)O_(3))材料因其独特而优异的光电特性在日盲紫外探测领域具有广阔的应用前景,受到国内外研究者的广泛关注.本研究工作采用射频磁控溅射技术,在c面蓝宝石衬底上制备了未掺杂和氮(N)掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜,研究了N... 详细信息

单斜氧化镓(β-Ga_(2)O_(3))材料因其独特而优异的光电特性在日盲紫外探测领域具有广阔的应用前景,受到国内外研究者的广泛关注.本研究工作采用射频磁控溅射技术,在c面蓝宝石衬底上制备了未掺杂和氮(N)掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜,研究了N掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜结构及光学特性的影响;在此基础上,构筑了未掺杂和N掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜基金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)型日盲紫外探测器,并讨论了N掺杂影响器件性能的物理机制.结果表明,N掺杂会导致β-Ga_(2)O_(3)薄膜表面形貌变得相对粗糙,且会促使β-Ga_(2)O_(3)薄膜由直接带隙向间接带隙转变.所有器件均表现出较高的稳定性和日盲特性,相比之下,N掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜器件能展现出较低的暗电流和更快的光响应速度(响应时间和恢复时间分别为40和8 ms),与氧空位相关缺陷的抑制密切相关.本研究对开发新型的高性能日盲紫外探测器具有一定的借鉴意义.

关键词： β-Ga_(2)O_(3) 薄膜 N 掺杂日盲紫外探测器快速响应

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基于农村电网电晕检测的日盲紫外探测器研究

基于农村电网电晕检测的日盲紫外探测器研究

作者：王钊福建农林大学

学位级别：硕士

现代农业的生产与发展离不开农村电网,因此,我国作为农业大国,持续对农村电网进行了大规模投资、建设与改造。近年来,我国农村电网的建设步伐越来越快,农村电网的电压等级也越来越高,随之而来的是如何降低农村电网的电能损耗,如何保障... 详细信息

现代农业的生产与发展离不开农村电网,因此,我国作为农业大国,持续对农村电网进行了大规模投资、建设与改造。近年来,我国农村电网的建设步伐越来越快,农村电网的电压等级也越来越高,随之而来的是如何降低农村电网的电能损耗,如何保障农村电网的可靠供电等亟需解决的问题。电网中常出现的电晕放电现象会消耗不必要的电能,严重时甚至会导致绝缘事故的发生,影响供电的可靠性,因此,对电晕放电现象的及时检测显得非常重要。相比于城市电网,农村电网的线路普遍比较稀疏、冗长,巡检距离较长;且农村电网所处环境较为复杂,对农村电网电晕放电现象进行检测时受到的干扰更多。本文主要基于农村电网的特点,从探测器的便携性、响应度、响应速度、响应截止边等多指标出发,使用磁控溅射、真空热蒸镀、X射线衍射、扫描电子显微镜、源表等设备,围绕日盲紫外探测器的结构设计、薄膜生长、器件制作与探测性能等方面进行研究。最终,本研究成功制作出了能够用于农村电网电晕检测的日盲紫外探测器,并基于日盲紫外探测器的性能,开展了外围警报电路的设计与仿真探索工作。主要开展工作与结果如下:(1)实现280 nm吸收截止边的Pt/In GaO/n-Si光伏型日盲紫外探测器的制作:通过能带工程,制备出了具有理想吸收截止边的氧化铟镓(In GaO)薄膜,并在此基础上制作Pt/In GaO/n-Si结构的光伏型日盲紫外探测器。当探测器处于波长为254 nm的光照射下,其开路电压可达到354 m V。此外,探测器在0 V偏压下的响应度可以达到0.48 m A/W,响应上升沿时间为0.47 s,下降沿时间为0.37 s,抑制比(R/R)高于2个数量级。该工作为制作具有理想日盲吸收截止边的光电探测器提供了重要参考。(2)构建Gr/MgZnO/GaN垂直结构日盲紫外探测器:以光响应层氧化镁锌(MgZnO)薄膜为基质,引入石墨烯(Gr)作为上导电层,构建了垂直结构为Gr/MgZnO/GaN的日盲紫外探测器,验证了Gr基光电探测器的可行性。当该探测器工作在-5 V偏压时,其对255 nm光的响应度是14.6 m A/W,其上升沿时间是0.79 s,下降沿时间是0.2s。该工作为Gr异质结探测器的应用提供了一个借鉴。(3)拓展高阻钛酸镁(MgTiO)在日盲紫外探测器中的新应用:将传统介电材料MgTiO应用于光电探测器领域,并研究退火对该材料的影响,以制作出具有高响应性能、快响应速度、便携等诸多优点的光伏型日盲紫外探测器。在0 V偏压下,该探测器对255 nm光的响应度高达42.6 m A/W,响应上升沿时间与响应下降沿时间分别为30ms、25 ms。该研究证明了MgTiO在日盲紫外探测器方面的潜力,解决了前两部分研究中探测器光电流与响应度较低等不足。(4)日盲紫外光电探测外围警报电路的设计与仿真探索:基于日盲紫外探测器的研究与测试结果,设计了外围警报电路,并使用Multisim 14.0软件进行了仿真实验。这部分工作验证了外围警报电路的可行性,有助于推进日盲紫外探测器在农村电网电晕探测中的实际应用。

关键词：农村电网电晕检测宽禁带半导体日盲紫外探测器

基于射频磁控溅射β-Ga2O3薄膜的日盲紫外探测器的制备及其光电探测性能研究

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基于射频磁控溅射β-Ga2O3薄膜的日盲紫外探测器的制备及其光电探...

作者：李秀华辽宁师范大学

学位级别：硕士

β-GaO是典型的宽禁带半导体材料,其禁带宽度约为4.9e V,具有较高的临界电场强度(8MV/cm)、非常突出的热稳定性和化学稳定性,在日盲紫外光电探测器、传感器和高功率电子器件等领域具有广阔的应用前景。本文在室温下采用射频磁控溅射技... 详细信息

β-GaO是典型的宽禁带半导体材料,其禁带宽度约为4.9e V,具有较高的临界电场强度(8MV/cm)、非常突出的热稳定性和化学稳定性,在日盲紫外光电探测器、传感器和高功率电子器件等领域具有广阔的应用前景。本文在室温下采用射频磁控溅射技术在蓝宝石(001)衬底上制备了不同厚度的β-GaO薄膜,并对制备优良的薄膜进行了不同退火气氛和退火温度的后退火处理,研究了薄膜厚度、退火气氛和退火温度对所得β-GaO薄膜相组成和微观结构的影响规律。更进一步地,基于高质量的β-GaO薄膜制备出MSM型日盲紫外光电探测器,并对不同参数制备的器件的光电探测性能进行了深入研究。主要成果如下:(1)采用射频磁控溅射法,通过调控沉积时间在蓝宝石(001)衬底上制备了不同厚度的β-GaO薄膜,厚度约在210-1050nm范围内。研究发现,随着薄膜厚度的增加,薄膜的结晶质量先增强后减弱。制备的薄膜均具有明显的紫外吸收特性,禁带宽度随着厚度的增加而增大。薄膜的光致发光(PL)谱结果显示各发光峰的峰强度随着厚度的增加而减小。器件的光电探测性能都随厚度的增加呈现先增后减的规律。用厚度为840nm的β-GaO薄膜制备的紫外光电探测器表现出极低的暗电流(4.9×10A),极短的响应时间,其光暗电流比高达3.2×10,其响应度、探测率和外量子效率分别为1.19m A/W、1.9×10 Jones和0.58%。(2)选用射频磁控溅射方法制备出的高质量β-GaO薄膜(～840nm厚的薄膜)将其放置到不同退火气氛(氩气和氧气)的高温管式水平加热电阻炉内进行退火,将退火后的样品与未退火的样品进行对比。结果发现,发现氧气气氛下退火对薄膜的结晶质量改善更大。在254nm紫外光照及5V偏压下,基于氧气气氛下制备的器件具有极低的暗电流,且响应时间最短(上升时间为0.08s/0.75s,下降时间为0.05s/0.48s),器件的主要探测性能较好。从而发现退火气氛对薄膜的质量以及器件的性能具有很大的影响。(3)通过改变β-GaO薄膜的退火温度(400-1000℃),来探究不同退火温度对β-GaO薄膜的晶体结构、光学性质以及器件的光电探测性能的影响。结果显示,不同退火温度下的β-GaO薄膜在波长200到300nm范围内均具有非常明显的紫外光吸收现象。随着退火温度的增加,光学吸收边出现蓝移现象,薄膜的禁带宽度也随之增加。PL谱结果显示,退火温度1000℃对于薄膜的氧空位缺陷浓度影响较大。退火温度为600℃对于薄膜的氧空位缺陷、镓-氧空位缺陷浓度影响较大。不同退火温度的器件均具有较快的响应速度,随着退火温度的增加,器件的响应时间(上升时间和下降时间)先增加后减小。800℃退火的器件的综合探测性能最好。随着退火温度的升高,器件的光暗电流比先增加后减小,器件T3(800℃退火)的光暗电流比最大,高达2.0×10,并且可以在线性动态区域内工作,给予器件更高的外加偏压或光功率密度,都可以得到更高的光电流。

关键词： β-Ga2O3薄膜射频磁控溅射日盲紫外探测器光电探测性能退火处理

基于Ga;O;日盲紫外光电探测器的研究进展

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中国激光 2021年

作者：王江罗林保合肥工业大学电子科学与应用物理学院

日盲紫外探测器由于较高的探测灵敏度和较低的背景噪声被广泛应用于导弹制导、空间安全通信、臭氧层空洞监测和火焰检测等军事和民用领域。氧化镓（Ga;O;）是一种典型的超宽禁带半导体材料，其较大的禁带宽度（4.2-5.3 eV）几乎占据太... 详细信息

日盲紫外探测器由于较高的探测灵敏度和较低的背景噪声被广泛应用于导弹制导、空间安全通信、臭氧层空洞监测和火焰检测等军事和民用领域。氧化镓（Ga;O;）是一种典型的超宽禁带半导体材料，其较大的禁带宽度（4.2-5.3 eV）几乎占据太阳光谱的整个日盲波段，被认为是制备日盲紫外探测器的理想材料。本文主要介绍了Ga;O;的不同晶体结构和基本特性，并综述了基于多种Ga;O;结构的日盲紫外探测器的研究进展。基于Ga;O;纳米线的最大光响应度>10;A/W，外量子效率能达到10;%;Ga;O;单晶器件光响应度高达10;-10;A/W，外量子效率超过10;%，响应速度较快（μs级）。不仅如此，Ga;O;基异质结、p-n结和肖特基结的日盲探测器表现出的自驱动特性使其在无需外加电源条件下就能正常工作，这在特殊环境下具有较大应用潜力。

关键词： Ga O 超宽禁带半导体日盲紫外探测器自驱动

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基于氧化镓材料日盲紫外探测器研究

基于氧化镓材料日盲紫外探测器研究

作者：范泽宇电子科技大学

学位级别：硕士

大气层中的臭氧层对波长小于280 nm的紫外光有吸收和散射作用,使得这一波段的光无法到达地球表面(200-280 nm,称为“日盲”波段),在此光谱范围内工作的探测器称为日盲紫外探测器。由于日盲波段的光具有背景噪声低,干扰小等优点,因此日... 详细信息

大气层中的臭氧层对波长小于280 nm的紫外光有吸收和散射作用,使得这一波段的光无法到达地球表面(200-280 nm,称为“日盲”波段),在此光谱范围内工作的探测器称为日盲紫外探测器。由于日盲波段的光具有背景噪声低,干扰小等优点,因此日盲紫外(UV)探测技术在民用和军事等领域得到广泛应用,例如火焰传感,环境监测,空间通信,导弹预警等。近年来,许多宽禁带半导体材料(如AlGaN,ZnMgO,GaO,金刚石等)已经被用于研究制备日盲紫外探测器。其中氧化镓(GaO)禁带宽度大,击穿场强高,是一种很有前途的日盲紫外探测半导体材料。然而,目前研究的β-GaO探测器存在对衬底选择性高,制备温度高(成本高),器件响应度低,暗电流高,响应速度慢等缺点,从而严重制约了其在实际生活中的应用。相比之下,非晶氧化镓(a-GaO)能够在低温条件下可控生长。因此本论文采用等离子体增强原子层沉积技术制备了a-GaO薄膜,并对其表面进行了钝化或掺杂改性,实现了低成本、高性能的氧化镓日盲紫外探测器器件的有效构筑。具体内容如下:(1)制备了反式结构a-GaO日盲紫外探测器。首先采用光刻技术以及电子束蒸发物理气相沉积设备在石英衬底上制备了金叉指电极,随后利用等离子体增强原子层沉积技术(PE-ALD)合成了非晶氧化镓薄膜,从而得到a-GaO/Au日盲紫外探测器。由于PE-ALD具有厚度控制精确、一致性高、台阶覆盖和均匀性好等优点,因此制备得到的a-GaO薄膜具有1.48的化学计量比。使用此a-GaO薄膜制备得到的a-GaO/Au日盲紫外探测器的器件的光响应度为579 A/W,上升时间与下降时间分别为42 ms和8 ms。在此基础上,引入Mg O作为钝化层,得到的a-GaO/Mg O/Au日盲紫外探测器的光响应度为788 A/W,相比未修饰的a-GaO/Au响应度提升了30%,器件的上升时间与下降时间分别加快至32 ms和6 ms。此外,还测试了a-GaO/Mg O/Au日盲紫外探测器在较高温度下的工作性能,结果表明该器件在较高温度下仍保持较高且稳定的探测性能。(2)实现了基于Mg掺杂的非晶GaO薄膜的日盲紫外探测器制备。研究结果发现,随着Mg掺杂浓度的提高,在光电流与光响应度都没有明显降低的情况下,器件暗电流明显降低(降至10A),光电流与暗电流的比值提升至10,相比未掺杂的a-GaO日盲紫外探测器,暗电流下降了10,光电流与暗电流比提高了1000倍。进一步地实验结果表明Mg掺杂可以降低a-GaO薄膜中氧缺陷,进而可以有效降低日盲紫外探测器的暗电流,使器件获得较高的信噪比,提高了日盲紫外探测器的探测率。

关键词：氧化镓日盲紫外探测器原子层沉积响应度响应时间暗电流

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基于石墨电极的硅基金刚石日盲紫外探测器

发光学报 2024年第4期45卷 630-636页

作者：王增将王孝秋朱剑锋任檬檬吴国光张宝林邓高强董鑫张源涛吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室吉林长春130012

金刚石优异的材料特性使其在日盲紫外探测领域有很大的应用潜力。本文采用微波等离子体化学气相沉积设备在(111)晶面单晶硅衬底上沉积金刚石薄膜,并基于该薄膜采用光刻胶热解法制备石墨材料平面叉指电极MSM结构金刚石日盲紫外探测器,为... 详细信息

金刚石优异的材料特性使其在日盲紫外探测领域有很大的应用潜力。本文采用微波等离子体化学气相沉积设备在(111)晶面单晶硅衬底上沉积金刚石薄膜,并基于该薄膜采用光刻胶热解法制备石墨材料平面叉指电极MSM结构金刚石日盲紫外探测器,为全碳金刚石探测器的实现提供了新方法。结果表明,该硅基金刚石薄膜为高取向多晶薄膜,(111)晶面的XRD 2θ扫描半峰宽为0.093°,拉曼光谱金刚石特征峰峰位1332 cm^(-1),半峰宽为4 cm^(-1),薄膜晶体质量较高;石墨电极紫外探测器在5 V偏置电压下的暗电流为2.07×10^(-8) A,光暗电流比为77,开关特性良好,并且石墨电极探测器具有优异的时间响应,上升时间为30 ms,下降时间为430 ms。

关键词：金刚石薄膜石墨电极日盲紫外探测器

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多晶金刚石薄膜日盲紫外探测器件的电极制备

发光学报 2022年第12期43卷 1974-1982页

作者：陈子依张伟亮荣曦明韩舜曾玉祥曹培江方明柳文军朱德亮吕有明深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室广东省功能材料界面工程研究中心广东深圳518055

通过在直流等离子体喷射化学气相沉积(DC-PJCVD)法生长的多晶金刚石薄膜上制备Au叉指电极,构建了金属-半导体-金属(MSM)结构的日盲紫外探测器件。研究了不同光刻工艺对制备的金刚石探测器件性能的影响。结果表明,lift-off光刻工艺所制... 详细信息

通过在直流等离子体喷射化学气相沉积(DC-PJCVD)法生长的多晶金刚石薄膜上制备Au叉指电极,构建了金属-半导体-金属(MSM)结构的日盲紫外探测器件。研究了不同光刻工艺对制备的金刚石探测器件性能的影响。结果表明,lift-off光刻工艺所制备的器件性能明显优于湿法光刻工艺器件,其I_(light)提高了4.4倍,光暗电流比提高了6.8倍,在25 V电压下响应度提高了9倍,达到了0.15 A/W。在此基础上通过lift-off光刻工艺制备了Au、Ti、Ti/Au和Ag四种不同金属的叉指电极,对比了不同金属电极制备的金刚石紫外探测器件的性能差异。其中Ag电极由于存在势垒隧穿效应引起的增益,在四种电极中性能表现最佳,在25 V偏压下其I_(light)高达0.21μA,响应度提升到0.78 A/W,性能与已有报道的器件性能相当。与普通Au电极制备的器件相比,其光电流提高了5.2倍,光暗电流比提升了7倍,响应度提高了5.2倍。

关键词：金刚石薄膜 lift-off光刻工艺 Ag电极日盲紫外探测器

背照式高量子效率AlGaN日盲紫外探测器设计

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红外与激光工程 2013年第12期42卷 3358-3362页

作者：赵文伯周勋李艳炯申志辉罗木昌重庆光电技术研究所重庆400060

高量子效率、高UV/VIS抑制比、宽的光谱响应范围、快的响应速度是AlGaN紫外探测器设计追求的主要目标。为了获得适宜于紫外焦平面阵列的探测器结构，结合MOCVD外延材料生长的特点，采用模拟计算与实验相结合的方法，设计了背照式高量子... 详细信息

高量子效率、高UV/VIS抑制比、宽的光谱响应范围、快的响应速度是AlGaN紫外探测器设计追求的主要目标。为了获得适宜于紫外焦平面阵列的探测器结构，结合MOCVD外延材料生长的特点，采用模拟计算与实验相结合的方法，设计了背照式高量子效率AlGaN日盲探测器。详细介绍了背照式AlxGa1-xN-pin紫外探测器结构参数设计的依据和设计过程，并给出了设计结果，通过工艺实验，对设计结果进行了优化。应用设计结果进行了器件试制，经测试试制器件，其峰值响应波长为270 nm，光谱响应范围为250～282 nm，峰值量子效率达到了57%（0 V），实验表明取得了比较理想的设计结果。

关键词：高量子效率 AlGaN 日盲紫外探测器

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AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器研究

AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器研究

作者：周星宇中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

工作于日盲紫外波段的光电探测器,在导弹逼近告警、超高压与特高压输电线路漏电电晕探测等国防和民用领域有着重要的应用前景和市场需求。作为第三代半导体的典型代表,三元合金AlGaN以其直接宽带隙,通过Al组分调节可以实现禁带宽度从3.4... 详细信息

工作于日盲紫外波段的光电探测器,在导弹逼近告警、超高压与特高压输电线路漏电电晕探测等国防和民用领域有着重要的应用前景和市场需求。作为第三代半导体的典型代表,三元合金AlGaN以其直接宽带隙,通过Al组分调节可以实现禁带宽度从3.4 e V-6.2 e V的连续调节,本征截止波长覆盖200 nm–365 nm的紫外波段,以及带间跃迁几率高,物理化学性能稳定,抗辐照能力强等优势,成为发展本征截止日盲紫外光电探测器的理想材料。本论文围绕军民领域为实现微弱日盲紫外信号探测所提出的高增益、低噪声日盲紫外光电探测器的发展方向,针对目前增益型AlGaN基日盲紫外光电探测器中,光电导结构响应速度和增益存在冲突,雪崩二极管结构在放大信号的同时放大噪声等问题,提出开展AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器的研究,并取得了以下主要研究成果:1.围绕高Al组分AlGaN材料外延生长中存在的缺乏高质量生长衬底的问题,在“两步生长法”基础上,通过采用中温Al N薄插入层结合高温Al N生长速率调控的方法,制备出低位错密度的Al N模板,为高Al组分AlGaN晶体管结构材料生长提供良好的生长衬底。2.针对高载流子浓度高Al组分AlGaN的p型材料制备困难的问题,提出高Al组分AlGaN材料周期性Mg均匀掺杂、超薄Ga N材料Mg掺杂与高Mg浓度δ掺杂相结合,并辅以真空热退火的p型掺杂技术,获得了载流子浓度高达2.16×10cm的超晶格结构p型AlGaN材料。3.围绕提高AlGaN光电晶体管光吸收能力和光电转换效率,提出采用Ga源周期性调制和生长温度调控相结合的生长技术,制备了高质量日盲紫外波段AlGaN/AlGaN多量子阱有源层作为光吸收层。4.在上述研究基础上,外延生长了AlGaN基日盲紫外光电晶体管结构材料,并结合光电子加工技术,制备出了背照射NPN双极型晶体管结构日盲紫外探测器,其响应峰值位于267 nm,在外加12 V偏压下,器件响应度为4.56 A/W,对应外量子效率达到2115.19%。紫外/可见光抑制比为5.05×10,器件暗电流在10A数量级。本论文研究工作为开发新型高增益日盲紫外探测器提供了新思路,也为发展高性能日盲紫外探测器奠定了理论和实验基础。

关键词：日盲紫外探测器 AlGaN材料金属有机化学气相沉积双极晶体管结构