基于超宽β-Ga2O3微米带的日盲光电探测器研究

氧化镓的禁带宽度接近5 eV,是一种极具前景的日盲紫外探测半导体材料。基于碳热还原法生长高质量β-Ga₂O₃微米带制备出MSM(Metal-Semiconductor-Metal)结构光电导紫外探测器,研究了不同的结构对光电器件性能的影响。结果表明等间距叉指电极光电探测器相较于两端电阻型光电探测器有更优异的性能。在10 V/254 nm紫外光照下,其响应度、外部量子效率、比探测率和光响应时间等性能提高明显,其中光电流(I_photo)有接近2个数量级的提升,且-2 V附近光暗电流比值增大至2.29×10⁵。随着叉指电极间距从50μm缩减至20μm,器件I_photo变大,其物理机制归因于阳极附近的耗尽层占据电极间微米带的比例增大引发了更高的光生载流子输运效率。     

肖特基型β-Ga2O3日盲紫外光电探测器

本文制备并研究了肖特基型β-Ga₂O₃日盲紫外光电探测器.结果表明：通过脉冲激光沉积外延生长的β-Ga₂O₃的（-201）晶面 X射线衍射峰半高宽仅为36 arcsec,表现出了高的晶体质量;光暗条件下的I-V曲线显示所制备的器件具有明显的肖特基整流特性,在-5V偏压下暗电流保持在0.1nA量级,正向导通电压为1.5V;光电流谱显示器件在240nm处存在显著的峰值响应,并在260nm左右呈现陡峭的截止边,日盲紫外的带内带外抑制比达到1000.同时,也研究了不同掺杂对Ga₂O₃晶体质量的影响.     

GaAs衬底上β-Ga2O3纳米点阵薄膜的MOCVD制备

将热氧化与MOCVD工艺相结合,总结了一种在本征GaAs衬底上进行β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜制备的工艺,该工艺不涉及金属催化剂与复杂刻蚀,工艺更为简单。使用扫描电子显微镜对所制备薄膜的形貌特征进行了表征与分析,发现所制备的纳米点阵薄膜呈现五方的柱状结构。对所制备样品进行了X射线衍射、拉曼振动、光致发光谱的测试,结果表明薄膜的晶体质量随着MOCVD生长温度与Ⅵ/Ⅲ比的提高而得到优化。使用有限元法（FEM）仿真验证了β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜制备的高陷光特点。     

氧分压对磁控溅射β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理,在5.08 cm(2 inch)c-plane蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜,研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响.通过调控氧分压,获得了具有{-2 01}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜,其最大晶粒尺寸达到138 nm,在300～800 nm波段透射率大于80％,最大光学带隙达5.12 eV.最优的薄膜表面粗糙度达0.401 nm,800 nm波长处折射率为1.94.实验结果表明,降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多,从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙;适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度,并提高致密度.     

导模法生长的β-Ga2O3单晶的位错腐蚀坑显露面

β-Ga₂O₃单晶作为高压大功率器件的衬底,其位错密度直接影响器件的漏电特性,位错腐蚀坑显露面与外延生长密切相关。β-Ga₂O₃单晶属于单斜晶系,对称性低,研究不同晶面位错腐蚀坑的形状与显露面难度较高。对采用导模(EFG)法生长的(001)、■和(010)面β-Ga₂O₃晶片进行腐蚀,采用扫描电子显微镜(SEM)观测腐蚀坑形貌,采用共聚焦激光扫描显微镜对显露面与表面晶面之间的夹角进行表征,根据测试结果可推算出腐蚀坑显露面晶面指数,为衬底和外延生长提供重要的参考依据。     

室温下β-Ga2O3纳米柱的脆韧转变研究

β-Ga₂O₃的力学性能关系到相关电子器件的制造、封装以及应用,然而目前关于β-Ga₂O₃单晶的力学变形机制研究还相对匮乏。本文研究了(100)β-Ga₂O₃单晶在压应力作用下的力学行为,发现其极易沿着(100)B面脆断,并计算得到该材料的断裂应力范围为314.1～615.1 MPa。进一步揭示了不同长径比、不同直径对β-Ga₂O₃纳米柱力学变形行为的影响,实验结果表明：当长径比>2时,β-Ga₂O₃纳米柱在不同直径下均沿着(100)B面发生脆断;当长径比<2且直径<200 nm时,(100)β-Ga₂O₃发生脆性向塑性的转变,表现为先沿着■面发生滑移,之后沿着(100)B面断裂。最后,讨论了晶体学取向对于小尺寸β-Ga₂O₃塑性的影响,研究结果为理解β-Ga     

增强型β-Ga2O3/4H-SiC异质结VDMOS的设计与研究

由于β-Ga₂O₃材料难以形成P型掺杂,目前β-Ga₂O₃功率器件大多为无结耗尽型。为了解决β-Ga₂O₃器件难以形成增强型的问题,提出了一种具有β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(VDMOS)。添加P型4H-SiC后,利用形成的PN结的单向导通性得到了正阈值电压,实现了增强型器件。使用Sentaurus TCAD仿真软件模拟了器件结构并研究了其电学特性,通过调节SiC厚度、SiC沟道浓度、外延层厚度和外延层浓度四个重要结构参数,对器件的功率品质因数进行优化设计。优化后的器件具有1.62 V的正阈值电压、39.29 mS/mm的跨导以及5.47 mΩ·cm²的比导通电阻。最重要的是器件的关态击穿电压达到了1838 V,功率品质因数高达617 MW/cm²。结果表明,该β-Ga₂O₃/...     

磁控溅射氧氩体积流量比对β-Ga2O3薄膜的影响

利用射频磁控溅射在c面单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制备Ga₂O₃薄膜,研究了溅射过程中通入氧气与氩气的体积流量比对经过异位高温后退火处理得到的β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜进行表征,结果表明β-Ga₂O₃薄膜沿着■晶面择优生长,具备较好的单一取向性。在氧氩体积流量比约为1∶20时,薄膜的结晶性能相对较好、表面晶粒分布较均匀、均方根粗糙度较小、晶粒尺寸较大。此外,吸收光谱表征结果表明,不同氧氩体积流量比下制备得到的β-Ga₂O₃薄膜的带隙变化范围为4.53～4.64 eV,在较低氧氩体积流量比下制备的β-Ga₂O₃薄膜表现出较优的光学性质,在波长200～300 nm内具有较好的吸收特性,表现出良好的深紫外光学特性。     

CVD法制备的高结晶质量二维β-Ga2O3薄膜性质研究

为了能够得到高质量的薄膜,降低实验成本,通过化学气相沉积(CVD)方法以GaTe粉作为Ga源在云母衬底上合成了β-Ga₂O₃薄膜。通过改变生长温度、载气和生长时间得到高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,并通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱进行证实。XRD结果显示,薄膜的最佳生长温度为750℃。对比不同载气下合成的β-Ga₂O₃薄膜可知,Ar气是生长薄膜材料的最佳环境。为了实现高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,在Ar气环境下改变薄膜的生长时间,XRD结果发现,生长时间20 min的薄膜具有高结晶质量。最后,将其转移到300 nm厚氧化层的Si/SiO₂衬底上,并通过原子力显微镜测试,证实了16 nm厚的二维Ga₂O₃薄膜。     

β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用现状北大核心

单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）超宽带半导体材料具有优良的电学、光学特性以及较高的物理化学稳定性,在大功率器件、紫外探测器以及气体传感器等技术领域具有巨大的应用前景,近年来已成为国际研发的热点。概述了β-Ga2O3半导体材料的特性优势。综述了β-Ga2O3在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器、衬底材料以及GaN器件栅介质领域的研发和应用现状。最后,分析了β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用前景,指出大功率半导体器件领域和日盲深紫外探测器领域将是未来发展的重要方向。     

Si/Mg/Fe掺杂β-Ga2O3单晶拉曼光谱表征及分析

β-Ga₂O₃单晶材料由于其优异的性能得到了广泛关注,但是对于其掺杂、能级、电学性能等方面的研究仍然比较欠缺。采用导模法分别制备了非故意掺杂β-Ga₂O₃单晶和Si/Mg/Fe掺杂的β-Ga₂O₃单晶,对样品进行了拉曼光谱测试和电学性能测试,研究不同掺杂元素对拉曼光谱的影响。对β-Ga₂O₃单晶的声子谱进行计算,并通过拉曼光谱测试进行了验证,对掺杂元素的取代位置进行了分析。结果表明,掺杂元素会对拉曼峰强度产生显著影响,Si、Mg、Fe均倾向于取代Ga_ⅡO₆八面体中心的Ga_Ⅱ原子。根据电学性能测试结果,Si掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈n型导电,Mg或Fe掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈半绝缘态。     

超宽禁带半导体α-Ga2O3肖特基二极管仿真研究

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的超宽禁带半导体材料,与目前常用的半导体材料SiC和GaN相比,具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强等优良特性。设计了一种基于α-Ga₂O₃的垂直型肖特基二极管(SBD),采用场板终端结构降低阳极边缘电场强度,研究了不同绝缘材料下阳极附近的电场分布,并探讨了场板结构与长度对其击穿特性的影响。仿真结果表明,在选取HfO₂作为α-Ga₂O₃垂直型SBD场板结构的绝缘材料时,场板结构可以增大该器件的反向击穿电压,最大反向击穿电压可达约1 100 V,对于现实中制备α-Ga₂O₃ SBD具有非常重要的参考意义。     

氧分压对脉冲激光沉积β-Ga2O3-δ薄膜光学性能的影响

在不同氧分压下,用脉冲激光沉积法在c-蓝宝石衬底上制备了高质量β-Ga₂O_3?δ薄膜。通过X-射线衍射、远红外反射光谱、X-射线光电子能谱和紫外-可见-近红外透射光谱系统地研究了β-Ga₂O_3?δ薄膜的晶格结构、化学计量比和光学性质。X-射线衍射分析表明,所有沉积的薄膜以(-201)晶向方向生长。透射光谱显示薄膜在255 nm以上的紫外-可见-近红外波段具有80%以上的高透明度,同时在255 nm附近有一个陡峭的吸收边。此外,利用Tauc-Lorentz(TL)色散函数模型和Tauc公式,我们提取了β-Ga₂O_3?δ薄膜的光学常数和光学直接带隙。更进一步,我们通过理论计算解释了氧气分压对β-Ga₂O_3?δ薄膜光学性质的影响。     

Electronic structure and optical properties of F-doped β-Ga2O3 from first principles calculations

The effects of F-doping concentration on geometric structure, electronic structure and optical property of β-Ga₂O₃ were investigated. All F-doped β-Ga₂O₃ with different concentrations are easy to be formed under Ga-rich conditions, the stability and lattice parameters increase with the F-doping concentration. F-doped β-Ga₂O₃ materials display characteristics of the n-type semiconductor, occupied states contributed from Ga 4s, Ga 4p and O 2p states in the conduction band increase with an increase in F-doping concentration. The increase of F concentration leads to the narrowing of the band gap and the broadening of the occupied states. F-doped β-Ga₂O₃ exhibits the sharp band edge absorption and a broad absorption band. Absorption edges are blue-shifted, and the intensity of broad band absorption has been enhanced with respect to the fluorine content. The broad band absorption is ascribed to the intra-band transitions from occupied states to empty states in the conduction band.     

自供能Bi2O2Se/TiO2异质结紫外探测器的制备与光电探测性能

采用一步水热法合成了不同质量分数的Bi₂O₂Se/TiO₂异质结构,对其进行了X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征,并基于Bi₂O₂Se/TiO₂异质结制备了紫外探测器。实验结果表明：在365 nm紫外光的照射下,Bi₂O₂Se的质量分数为60%时,Bi₂O₂Se/TiO₂异质结探测器的光电探测性能最好,光电流高于Bi₂O₂Se探测器,是TiO₂探测器的7倍;响应时间约为30 ms,是TiO₂探测器的1/6。Bi₂O₂Se/TiO₂异质结探测器的响应度和探测率分别为10^-3A/W、1.08×10⁷cm·Hz^1/2/W,均比...     

磁控溅射工作压强对β-Ga2O3薄膜特性的影响

作为新兴的第三代半导体材料,β-Ga₂O₃高质量薄膜是制备高效Ga₂O₃基器件的基础,β-Ga₂O₃薄膜的制备、表征及光电特性的研究具有深刻的意义。通过分析研究磁控溅射工作压强变化对薄膜性能和形貌的影响,为制备更高质量的薄膜提供了一种新的方法。基于射频磁控溅射方法,在单晶c面蓝宝石(Al₂O₃)衬底上沉积生长Ga₂O₃薄膜,并进行900℃、90min的氮气退火处理,以得到β-Ga₂O₃薄膜。沉积过程不改变其他实验参数,仅改变工作压强,研究工作压强对β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征结果显示,β-Ga₂O₃薄膜具有不同取向的衍射峰,沿着■晶向择优生长,薄膜呈多晶状态。适当增大工作压强可使β-Ga<...     

背照式AlGaN/GaN基PIN日盲型紫外探测器的研制

利用MOCVD方法在蓝宝石（0001）衬底上生长PIN型AlGaN/GaN外延材料,研制出背照式AlGaN基PIN日盲型紫外探测器,用紫外光谱测试系统和半导体参数测试仪分别测得了器件的光谱响应和I-V特性曲线。测试结果表明,器件的响应范围为260~280 nm,峰值响应出现在270 nm处,在2.5 V偏压下的最大响应...     

背照式GaN/AlGaN p-i-n紫外探测器的制备与性能

文章研究了p-GaN/i-GaN/n-A l0.3Ga0.7N异质结背照式p-i-n可见盲紫外探测器的制备与性能。器件的响应区域为310~365nm,最大响应率为0.046A/W,对应的内量子效率为19%,优值因子R0A达到1.77×108Ω.cm2,相应的在363nm处的探测率D*=2.6×1012cmHz1/2W-1。     

高性能背照式GaN/AlGaN p-i-n紫外探测器的制备与性能

研究了GaN/AlGaN异质结背照式p-i-n结构可见盲紫外探测器的制备与性能。GaN/AlGaN外延材料采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法生长，衬底为双面抛光的蓝宝石，缓冲层为AlN，n型层采用厚度为0.8 μm的Si掺杂Al0.3Ga0.7N形成窗口层，i型层为0.18 μm的非故意掺杂的GaN，p型层为0.15 μm的Mg掺杂GaN。采用Cl2、Ar和BCl3感应耦合等离子体刻蚀定义台面，光敏面面积为1.96×10-3 cm2。可见盲紫外探测器展示了窄的紫外响应波段，响应区域为310~365 nm，在360 nm处响应率最大，为0.21 A/W，在考虑表面反射时，内量子效率达到82％；优质因子R0A为2.00×108 Ω·cm2，对应的探测率D*=2.31×1013 cm·Hz1/2·W-1；且零偏压下的暗电流为5.20×10-13 A。     

ICPCVD-SiN_x对GaN/AlGaN基紫外探测器的钝化效果的研究

采用ICPCVD-SiNx薄膜对GaN/A1GaN基紫外探测器进行钝化,从薄膜绝缘特性、钝化效果两方面,对ICPCVD-SiNx、磁控溅射-SiOx、PECVD-SiOx和PECVD-SiNx四种钝化膜进行对比.制作了钝化膜/GaN MIS器件,通过测试MIS器件漏电流密度和薄膜击穿电场的大小表征薄膜绝缘性能,结果表明ICPCVD-SiNx对应的MIS器件的漏电特性最好,外加偏压为100 V时,其漏电流密度保持在1×10-7 A/cm2以下,薄膜击穿电场大于3.3 MV/cm.采用不同钝化方法制作了p-i-n型AlGaN基紫外探测器,通过计算钝化前后器件暗电流的变化,表征不同钝化方法的钝化效果.结果表明ICPCVD-SiNx钝化的器件,其暗电流比其他钝化方法的器件小近两个数量级,在-5V偏压下暗电流密度为7.52 A/cm2.