氮化鎵-硅納米孔柱陣列紫外光電探測(cè)性能研究.pdf

1、紫外光電探測(cè)器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、航空航天以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值，而半導(dǎo)體材料與技術(shù)的快速發(fā)展為新型高性能紫外光探測(cè)器的研究奠定了重要的材料基礎(chǔ)。
　　單晶硅是最早被應(yīng)用于紫外探測(cè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體材料，基于單晶硅的紫外增強(qiáng)型硅光電二極管作為第一代固體探測(cè)器的典型代表早已得到廣泛的應(yīng)用。但是，硅探測(cè)器容易受到可見(jiàn)光信號(hào)的干擾，必須使用配套的濾光片以排除可見(jiàn)光產(chǎn)生的噪音，同時(shí)還存在因易于老化而導(dǎo)致使用壽命短的缺點(diǎn)

2、。此外，硅是一種間接帶隙的半導(dǎo)體材料，這一能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從物理上決定了，硅光電器件只能具有較低的光量子響應(yīng)效率。
　　近年來(lái)，以GaN、ZnO為代表的寬帶隙化合物半導(dǎo)體在材料制備與器件工藝方面均得到了快速發(fā)展，尤其基于GaN同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)的光電子器件已在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光二極管、高效串聯(lián)多結(jié)太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。GaN是一種直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，本身具有較高的光響應(yīng)量子效率；其帶隙寬度約為3.34 eV，對(duì)應(yīng)的本征吸收

3、和發(fā)光波長(zhǎng)處于紫外光區(qū)；同時(shí)，GaN還具有化學(xué)和穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。GaN的上述特性預(yù)示著它有望成為制備新型高性能紫外光探測(cè)器的理想材料。
　　基于上述考慮，本文以一種硅的微米納米結(jié)構(gòu)復(fù)合體系即硅納米孔柱陣列（Si-NPA）為襯底，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備了GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)陣列，并對(duì)其表面形貌、化學(xué)組成、光吸收和光致發(fā)光特性進(jìn)行了表征。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)電極設(shè)計(jì)制作，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/Ga

4、N/Si-NPA/sc-Si/Ag的光電探測(cè)器原型器件，并對(duì)其光電探測(cè)性能進(jìn)行了表征。最后，通過(guò)改變CVD沉積GaN過(guò)程中的沉積溫度、沉積時(shí)間和氨氣流量等單個(gè)參數(shù)，獲得了GaN/Si-NPA紫外光探測(cè)器的優(yōu)化制備條件。論文取得以下主要研究結(jié)果：
　　（1)Si-NPA、GaN/Si-NPA異質(zhì)結(jié)及其紫外光探測(cè)器的制備。首先，采用水熱腐蝕法制備了Si-NPA。第二，以Si-NPA為襯底，通過(guò)在其上預(yù)沉積金屬Pt作為催化劑，采用CVD

5、方法制備了GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)陣列。最后，通過(guò)在GaN/Si-NPA上、下面分別沉積ITO薄膜和Ag薄膜作為透明頂電極和底電極，制備出結(jié)構(gòu)為ITO/Si-NPA/sc-Si/Ag的紫外探測(cè)器原型器件。
　?。?）GaN沉積溫度對(duì)GaN/Si-NPA紫外探測(cè)性能的影響。保持CVD過(guò)程中其他條件相同，采用不同的沉積溫度制備了GaN/Si-NPA，對(duì)其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和表面形貌特征進(jìn)行了表征，對(duì)器件的光響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、響應(yīng)/恢復(fù)速

6、度等光響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。結(jié)果表明，GaN/Si-NPA光響應(yīng)存在紫外光區(qū)和藍(lán)光區(qū)兩個(gè)波段，器件的光響應(yīng)特性與GaN的沉積溫度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，950℃為制備GaN/Si-NPA紫外光探測(cè)器的優(yōu)化沉積溫度。
　?。?）GaN沉積時(shí)間對(duì)GaN/Si-NPA紫外性能的影響。保持CVD沉積溫度為950℃、其他條件相同，通過(guò)改變沉積時(shí)間制備了GaN/Si-NPA，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和形貌特征進(jìn)行了表征，對(duì)器件的光響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。結(jié)果表

7、明，制備GaN/Si-NPA紫外光探測(cè)器的優(yōu)化沉積時(shí)間為20 min。
　　（4）GaN沉積過(guò)程中氨氣流量對(duì)GaN/Si-NPA紫外探測(cè)性能的影響。保持CVD沉積溫度為950℃、沉積時(shí)間為20 min，通過(guò)改變氨氣流量制備了GaN/Si-NPA，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和形貌特征進(jìn)行了表征，對(duì)器件的光響應(yīng)特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。
　　最終結(jié)果表明，制備GaN/Si-NPA紫外光探測(cè)器的優(yōu)化CVD條件是：制備溫度為950℃，沉積時(shí)間20 mi