β-Ga2O3薄膜制备及光电特性研究

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第三代半导体材料典型代表β-Ga2O3,是一种具有宽禁带特性的半导体材料,不仅具有优良的光电特性,还具有较好的热稳定性和良好的化学稳定性,正在成为某些高频高功率器件、光电探测器、太阳能电池和具有超越现有技术能力的传感器的可行候选材料。特别是在光电探测领域,氧化镓禁带宽度值与日盲紫外区域对应,弥补了Ga N、Zn O因掺杂而导致性能下降的缺点,是当前国际上的研究热点之一。但是,现有薄膜生长技术具有成本高或工艺条件要求高等缺点,以可行方法实现薄膜的大面积薄膜生长仍然存在较大挑战。在本论文中,综述了Ga2O3的主要性质及其在器件方面的应用,并在对比不同的薄膜制备方法后,选用操作简单、成本低廉的溶胶凝胶旋涂法,以硝酸镓水合物作为镓源在蓝宝石衬底上旋涂并退火后制备β-Ga2O3薄膜,讨论不同工艺条件,包括溶液浓度、退火温度和退火气氛,对薄膜材料结晶情况、表面形貌与光学特性的影响。在最优的工艺条件基础上选取样品沉积电极,制备光电探测器,进行I-V和I-T实验,证明其作为紫外光电探测器的可行性。具体实验分析结果如下:(1)本文中研究了不同浓度的溶液对薄膜性质的影响:改变浓度分别为0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L和0.7mol/L,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计实验对薄膜性质进行表征对比。实验结果发现,当溶液浓度为0.1mol/L时,样品表面会因浓度较低导致溶液附着能力较差,表面扫描电子显微镜图像模糊,颗粒不均匀;当溶液浓度为0.7mol/L时,由于浓度过高引起表面颗粒粘附,结晶较差,扫描电子显微镜图像出现明显的团簇挤压现象,透射率极低;而0.3mol/L和0.5mol/L样品表现出良好的结晶性能,0.3mol/L样品表面颗粒更为均匀、平整,对波长280nm以上的光表现出超过80%的透射率,估算禁带宽度达4.92eV,因此认为此浓度下适宜制备所需β-Ga2O3薄膜。(2)本文中研究了不同的退火温度对薄膜性质的影响:以浓度为0.3mol/L进行旋涂,改变退火温度为500℃~1100℃,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计实验对薄膜性质进行对比。实验发现,温度升高至900℃及以上时,薄膜会因衬底中Al原子的扩散与晶格替换而表现出衍射峰强度增加和晶粒尺寸的明显增大,禁带宽度也增大至5.2eV以上;温度为500和600℃时结晶程度较差,表面颗粒很小,扫描电子显微镜呈雾状;700℃时样品开始出现较为明显的颗粒,800℃时颗粒平整均匀,透过率较高,禁带宽度为4.90eV,被认为是旋涂法制备β-Ga2O3薄膜的最佳退火温度。(3)本文中研究了不同退火气氛对薄膜性质的影响:在前述试验基础上,将浓度为0.3mol/L样品分别在氧气与空气气氛中800℃退火后对比薄膜特性。因氧气气氛可弥补薄膜生长过程中的氧空位缺陷,X射线衍射实验发现氧气退火的样品晶粒取向一致性好,X射线光电子能谱实验证明表面氧空位数目的下降,SEM表面颗粒间隙小,AFM实验发现均方根粗糙度小,透射率高,禁带宽度较空气退火更大。(4)沉积电极并进行I-V测试,空气退火样品光暗电流比为21.44,氧气退火样品为31.16,氧气退火样品抗噪声干扰能力强,但光响应度Rλ和量子效率EQE等性能较差;多次旋涂氧气退火样品光响应时间0.1s,衰减时间0.12s,响应速度较快,光电流随着光强度的增加而增加,证明了旋涂法制备的薄膜有用于制备快速响应光电探测器件的潜力。
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