氮化鎵-硅納米孔柱陣列紫外光電探測性能研究.pdf

1、紫外光電探測器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測與保護、航空航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價值，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)用于紫外探測領(lǐng)域的半導(dǎo)體材料，基于單晶硅的紫外增強型硅光電二極管作為第一代固體探測器的典型代表早已得到廣泛的應(yīng)用。但是，硅探測器容易受到可見光信號的干擾，必須使用配套的濾光片以排除可見光產(chǎn)生的噪音，同時還存在因易于老化而導(dǎo)致使用壽命短的缺點

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，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發(fā)光二極管、激光二極管、高效串聯(lián)多結(jié)太陽能電池等領(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，對應(yīng)的本征吸收

3、和發(fā)光波長處于紫外光區(qū)；同時，GaN還具有化學(xué)和穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率高、抗輻射能力強等優(yōu)點。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，并對其表面形貌、化學(xué)組成、光吸收和光致發(fā)光特性進行了表征。在此基礎(chǔ)上，通過電極設(shè)計制作，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/Ga

4、N/Si-NPA/sc-Si/Ag的光電探測器原型器件，并對其光電探測性能進行了表征。最后，通過改變CVD沉積GaN過程中的沉積溫度、沉積時間和氨氣流量等單個參數(shù)，獲得了GaN/Si-NPA紫外光探測器的優(yōu)化制備條件。論文取得以下主要研究結(jié)果：
　?。?)Si-NPA、GaN/Si-NPA異質(zhì)結(jié)及其紫外光探測器的制備。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的紫外探測器原型器件。
　　（2）GaN沉積溫度對GaN/Si-NPA紫外探測性能的影響。保持CVD過程中其他條件相同，采用不同的沉積溫度制備了GaN/Si-NPA，對其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和表面形貌特征進行了表征，對器件的光響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、響應(yīng)/恢復(fù)速

6、度等光響應(yīng)特性進行了測試與分析。結(jié)果表明，GaN/Si-NPA光響應(yīng)存在紫外光區(qū)和藍光區(qū)兩個波段，器件的光響應(yīng)特性與GaN的沉積溫度有很強的關(guān)聯(lián)，950℃為制備GaN/Si-NPA紫外光探測器的優(yōu)化沉積溫度。
　?。?）GaN沉積時間對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，通過改變沉積時間制備了GaN/Si-NPA，并對其結(jié)構(gòu)和形貌特征進行了表征，對器件的光響應(yīng)特性進行了測試與分析。結(jié)果表

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