【摘要】：近年來,Ga_2O_3作為一種新興的寬禁帶氧化物半導體材料引起了科研人員的極大興趣。Ga_2O_3有高達4.5~5eV的直接帶隙,具有較高的吸收系數(shù);還具備穩(wěn)定性好、易于制備、耐輻照等諸多優(yōu)點,是一種理想的日盲紫外和高能輻射探測材料。日盲紫外探測技術具有背景噪聲低和靈敏度高的獨特優(yōu)點,可以用于空間通信、生物醫(yī)藥、導彈制導及臭氧監(jiān)測等領域,一直以來都是光電探測領域的研究重點;高能輻射探測在醫(yī)學成像、公共場所安全檢測、X射線空間通信以及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)分析等方面有著廣泛而重要的應用。目前Ga_2O_3基光電探測器仍處于實驗室研究階段,離商業(yè)化尚有很長一段距離,主要存在兩個關鍵的科學問題亟待解決:一是提升探測器的光響應度;二是加快探測器的光響應速度。此外,柔性透明電子學的迅猛發(fā)展在很大程度上推動了柔性透明光電探測器的研究。柔性器件對工藝溫度要求比較苛刻(200℃),但是目前Ga_2O_3材料的生長技術(如分子束外延、脈沖激光沉積和金屬有機物化學氣相沉積等)基本都需要高溫和高真空條件,既不利于大面積產(chǎn)業(yè)化應用,又不可能實現(xiàn)柔性器件應用,因此嚴重阻礙了它在柔性光電探測器領域的研究進展。基于上述問題,本論文重點從改善響應度和響應速度這兩方面出發(fā),通過器件結(jié)構(gòu)設計與材料物性調(diào)控,器件的性能得到了大幅度提升;在此基礎上,采用低溫工藝制備出了具有良好力學魯棒性的高性能柔性Ga_2O_3光電探測器。首先,為了提高Ga_2O_3日盲紫外光電探測器的響應度,我們借助光電子領域常用的表面等離激元(SP)共振效應。大量文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)金屬Ga和金屬Al納米陣列激發(fā)的SP的能量可能落在日盲紫外區(qū)。因此,我們研究了這兩種金屬與Ga_2O_3之間的共振耦合對光電探測器性能的重要影響。Ga納米粒子修飾的Ga_2O_3探測器是基于Ga/Ga_2O_3納米復合薄膜制備的,其中Ga納米球鑲嵌在Ga_2O_3基體內(nèi)部、呈三維接觸模式。相對于純Ga_2O_3探測器,通過調(diào)控復合薄膜中Ga納米球的尺度,采用SP耦合的Ga/Ga_2O_3光電探測器的響應度可獲得高達220倍的增強;而Al粒子修飾的探測器則采用常規(guī)的表面點接觸結(jié)構(gòu),器件的光電流獲得了一個量級的增強。由此可見,SP是一種能夠大幅提升Ga_2O_3基日盲紫外探測器光響應性能的有效方法。其次,我們研制了具有超快響應速度的非晶Ga_2O_3日盲紫外探測器,通過光電性能測試,結(jié)合X射線光電子能譜(XPS)表征技術,系統(tǒng)研究了該器件性能大幅度改善的主要機制。大量科學研究結(jié)果表明,氧化物半導體表現(xiàn)出的持續(xù)光電導現(xiàn)象與樣品中的氧空位缺陷密切相關。基于這一點,我們發(fā)展了一種微氧流量調(diào)控的方法,通過在薄膜濺射生長過程中微量調(diào)節(jié)氧氣流量,即可獲得氧空位濃度不同的系列非晶Ga_2O_3薄膜。相應器件的光響應性能表明氧空位濃度在決定探測性能上起著至關重要的作用:當氧流量從0增加至0.14sccm時,器件在10V下的暗電流從1.97×10~(-7)A急劇下降至5.71×10~(-13)A,光響應度從91.88A/W減小到0.19A/W,器件的響應速度從1.5s提升至19.1μs。結(jié)合XPS價帶譜、暗電流的擬合和ITO/Ga_2O_3界面能帶結(jié)構(gòu)分析,我們深入揭示了內(nèi)在機理:濺射氧流量的增加不僅減少了薄膜中氧空位濃度,而且使得器件的接觸勢壘高度增加,從而大大提高了器件的光響應速度�；谏鲜龇蔷a_2O_3薄膜的低溫生長工藝和氧流量調(diào)控方法,我們在柔性聚合物襯底上成功制備出快響應的柔性Ga_2O_3日盲紫外探測器。柔性器件的光電性能與剛性襯底上器件的性能基本相當,證明了非晶Ga_2O_3探測器的制備技術與柔性襯底具有很好的工藝兼容性。此外,在彎曲和疲勞測試中,柔性器件的光響應未出現(xiàn)明顯退化,證明非晶Ga_2O_3柔性探測器具有很好的力學魯棒性。最后,我們探索了非晶Ga_2O_3材料在柔性X射線探測器中的應用前景:通過系統(tǒng)研究濺射氧分壓對X射線響應特性的影響,我們深入分析了其內(nèi)在機制,并結(jié)合理論分析,給出了相應的物理模型。本論文的柔性非晶Ga_2O_3基X射線探測器不僅具有優(yōu)異的耐高壓和耐輻照特性,還表現(xiàn)出了良好的機械性能。綜上所述,針對Ga_2O_3日盲紫外探測器,我們提升了器件的光響應度和光響應速度,并利用低溫制備工藝成功研制了高機械性能的柔性非晶Ga_2O_3日盲紫外探測器。此外,我們還制備了非晶Ga_2O_3基柔性X射線探測器,證明了非晶Ga_2O_3材料優(yōu)異的耐輻照特性,也為柔性X射線探測器的研制開辟了新的思路。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN36
【圖文】：

氧化鎵基光電探測器的研制與研究2O3和 -Ga2O3共 5 種同分異構(gòu)體[26]。在這些同分異構(gòu)體中，所有的其他結(jié)構(gòu)的 Ga2O3通過加熱處理都可得到 β-Ga2O3，這五種異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化以參照圖 1.1[26]。由于 β-Ga2O3的物理和化學特性最穩(wěn)定，所以是科學研究最多的氧化鎵異構(gòu)體形式。

氧化鎵基光電探測器的研制與研究磁控濺射方法適用于濺射任何材料，包括金屬、半導體、陶瓷，其還具有工藝簡單、易重復、能大面積成膜、薄膜沉積速率襯底結(jié)合好的優(yōu)點。基于上述優(yōu)點，射頻磁控濺射方法在科學。在本論文中，Ga2O3薄膜和 ITO 電極都是采用自行搭建的射成，其實物圖如圖 2.1 所示。該系統(tǒng)的靶基距在 8cm 范圍內(nèi)可10-4Pa，還配有 Ar、O2和 N2三路氣體。在本文中，薄膜濺射均采，在第 4 章和第 5 章 Ga2O3活性層的濺射中引入了微量氧氣，

圖 2.2 熱蒸發(fā)系統(tǒng)實物圖種主要應用于冶金、電子、陶瓷、新材料定溫度變化程序工作的設備。在半導體膜樣品的氧化、擴散和退火處理以提高改善半導體與電極之間的接觸情況。退火爐設備是合肥科晶公司的型號為圖 2.3 所示。該型號的高溫管式爐的爐爐塞，并通過密封法蘭與外界隔絕，最度控制精度在+/-1℃，升降溫速率≤10℃

【參考文獻】

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本文編號：2795838