ZnO/Ga2O3紫外探测器的载流子输运与增益机理研究

Due to the absorbtion of the atmosphere, the ultraviolet (UV) light from 200nm to 280nm can not be detected around the earth surface, which is called solar-blind band. Because the detection to the solar blind light could not be affected by the sunlight, the solar-blind detectors have very important applications in the military and civilian field, such as the missile warning, missile guidance and the environmental monitoring. To make the solar blind UV detector with the high responsivity,high rejection ratio, and fast response, we design a Ga2O3 based avalanche type UV detector, and study the carrier transport and gain mechanisms. It is planned to use laser beam induced current method to analyze the distribution of photoelectric activity and junction electric field distribution of ZnO/Ga2O3 heterojunction ultraviolet detectors. Magnetron sputtering method is used to prepare MgO insulating layer with different thickness at the interface of ZnO/Ga2O3 heterojunction to realize the regulation of heterojunction avalanche region.

由于日盲紫外探测受太阳光的干扰非常弱，因此在导弹预警、环境监测等领域都具有重要的应用。本项目在我们制备出具有雪崩增益的ZnO/Ga2O3异质结日盲紫外探测器基础上，针对高响应度、高抑制比、快速响应日盲紫外探测器研制，围绕ZnO/Ga2O3异质结紫外探测器的载流子输运和雪崩增益机理开展研究，并以此为指导优化器件结构。计划采用激光束诱导电流法分析ZnO/Ga2O3异质结紫外探测器的光电活性特征分布、结电场分布。采用磁控溅射方法在ZnO/Ga2O3异质结界面处制备不同厚度的MgO绝缘层，以实现对异质结雪崩区域的调节。

紫外光电器件紫外探测器应用、绿色照明、光通信等方面都有着广泛的应用和巨大的前景。II-VI 族半导体氧化锌（ZnO）材料作为一种直接带隙半导体，其室温下具有 3.37 eV 的禁带宽度和高达 60 meV的激子结合能，是一种实现室温下高效的紫外激光的候选材料，而且ZnO还具有原材料丰富，价格低廉，安全环保等优点。ZnO极易制备各种纳米结构，纳米ZnO材料由于高的结晶质量和量子效应的作用，在发光和紫外探测上具有重要应用潜力。ZnO微米结构与纳米结构相比，同样具有单晶的结晶质量，并且具有更易于操作及制备器件的尺寸、自带谐振器等优点。本文围绕了ZnO微米线的可控生长和光电器件的制备进行了研究探索，并取得了如下的创新性研究成果： .1. 利用化学气相沉积（CVD）的方法制备出截面为四边形的氧化锌微米线，这种微米线具有 F-P 谐振腔模式，并通过生长温度实现了对尺寸的初步可控生长。我们使用Ag纳米颗粒对 ZnO 微米线进行了包覆，利用Ag等离子体基元与微米线F-P腔模式发生强耦合，光致发光增强效果可以高达102倍。 .2. 制备了基于单根 ZnO 微米线的绿光电致发光器件，其中心波长位于 500nm，通过 Au 纳米颗粒对表面的修饰，使缺陷态的发光产生了能量转移，变为中心波长位于 600 nm 的红光电致发光器件，实现了对发光峰位和颜色的调制作用，并以此为基础通过模板控制 Au 纳米颗粒的分布，制备出能够同时发出红绿两种光的单根微米器件。 .3. 利用CVD一步生长的方法制备出高结晶质量的 ZnO-Ga2O3核壳微米线，氧化锌的晶格能在6-8个原子层的范围内快速过渡到氧化锌的晶格，而且界面处无明显缺陷。利用该核壳微米线制备出高性能的日盲(200-280nm)波段的雪崩探测器，该器件在6V下254nm 处的响应度可达1.3×103A/W，探测率为9.91×1014cm•Hz1/2/W，响应时间小于20μs，主要性能高于目前商业 Si 雪崩二极管。该器件在-10V偏压下有高达5.77×105 %的外量子效率，正的温度系数证明该器件的高增益来源于雪崩倍增效应。