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Ga_2O_3外延薄膜生长与电场调控光电性能研究

发布时间:2019-06-07 21:11 来源:未知 编辑:admin

  氧化镓具备很多独特、优良的物理性质,加之氧化镓单晶衬底、外延薄膜、纳米材料制备技术的日趋成熟,决定着其在日盲光电探测器、功率晶体管、紫外-透明导电电极、发光二级管、阻变存储器、气敏传感器等领域具有广泛的应用前景。高质量外延薄膜生长技术是Ga203材料应用于光电子器件的关键,本论文着眼于氧化镓带隙宽、击穿电场强度大的优势,基于器件设计与制备的需要探索了氧化镓外延薄膜的可控生长技术,并研究了生长获得的外延薄膜的光学、日盲光电、电学性能以及其在日盲探测器、光电晶体管、场效应晶体管方面的应用。主要的研究成果如下:(1)通过调节生长温度和后位退火处理,实现了对β-Ga203薄膜结晶质量、表面形貌和光学带隙的调控;并制备获得了基于β-Ga203薄膜的日盲探测器。高的晶体缺陷和氧空位密度使得薄膜具有更高的响应度,同时也使得薄膜的光谱选择性变差、响应速度变慢;大尺寸的晶粒能极大的减小晶界散射,使得薄膜具有高的光电流增益和较快的响应速度。(2)通过Al的掺杂,调节体系的自由能,成功地以磁控溅射法在750 ℃生长出了热稳定的亚稳相y-Ga203薄膜;并首次报道了y-Ga203薄膜的日盲光电性能,得益于高的结晶质量和较低的氧空位浓度,γ-Ga203薄膜具有较高的日盲光/日可见光的光电响应抑制比和较快的响应速度。通过引入A1203超薄中间层对薄膜生长过程中的应力进行调制,成功地实现了β-Ga2O3薄膜表面形貌从一维到二维的可控生长。β-Ga203:A1203纳米线薄膜具有大的比表面积和较强的光散射效应,能够极大提高其对254 nm光的响应度。(3)通过交替生长技术和后位退火成功的实现了β-(AlxGa1-x)203和(Ga1-x-yFexAly)203薄膜的生长,β-(AlxGa1-x)2O3带隙达到了 6.12eV,(Ga1-x-yFexA1)2O3带隙在 4.96-5.99 eV 范围内可调。(Ga1-x-yFexAly)203薄膜的具有良好的绝缘性和介电性能,可作为基底与沟道间的缓冲层以及沟道薄膜与绝缘层间的钝化层以应用于Ga203基MOSFET制备。通过引入γ-In203阴极缓冲层实现了对上层的β-Ga203薄膜电学性能的调制,β-Ga203/y-In203载流子迁移率高达25.5 cm2/V·s,有望作为沟道材料用于制备高迁移率的场效应晶体管。(4)设计并成功制备了 Ga203薄膜基-背栅极/顶栅极日盲-紫外光电晶体管。背栅极日盲-紫外光电晶体管为n沟道增强型MOSFET,其阈值电压、场效应迁移率分别为1.12 V、6.19×10-2 cm2/V·s;在40 V正向栅压下能够获得3.58倍的光电流增益,表现出良好的栅压调控能力。顶栅极日盲-紫外光电晶体管为n沟道耗尽型MOSFET,其漏电流开关比和场效应迁移率随着光照强度的增强而逐渐增大;在强度为500 μW/cm2的254 nm光照下,其开关比和场效应迁移率分别为1.20×104、2.10×10-2cm2/V·s。

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