基于Ga2O3/n-Ga2O3核壳结构实现快速响应的Mott势垒型日盲紫外雪崩探测器的研究
批准号:
61705155
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
21.0 万元
负责人:
范明明
依托单位:
学科分类:
F0502.光子与光电子器件
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹铃、李维强、王荣、落全伟、任超
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中文摘要
β-Ga2O3(Ga2O3)微纳米材料是制备日盲紫外探测器的优选材料之一。目前,Ga2O3微纳米材料平面结构探测器响应速度较慢,异质结或肖特基结垂直结构器件可实现快速响应。针对异质结器件面临的异质材料带隙窄,干扰日盲紫外信号的问题,以及肖特基结器件面临的底接触晶体质量和电学性能差,导致器件响应度较低的问题,本课题拟设计和制备以Sn掺杂n-Ga2O3微米带为底接触的Mott势垒型Ga2O3/n-Ga2O3核壳结构雪崩探测器。通过对材料和器件性能进行表征,研究n-Ga2O3材料特性与核壳结构材料特性以及器件光电特性之间的关系,通过能带理论和软件模拟解释探测器工作机制,揭示器件结构对光电特性的调控规律。Mott势垒型核壳结构雪崩探测器,有望为实现具有低暗电流、高响应度和快速响应特性的高性能日盲紫外器提供有效的解决方案,对Ga2O3日盲紫外探测器面向实际应用具有重要的意义。
英文摘要
β-Ga2O3(Ga2O3)based micro/nano materials are one of the candidates for fabricating solar-blind UV photodetectors. Nowadays, planar-structure solar-blind UV photodetectors based on Ga2O3 micro/nano materials possess a slow response speed, while photodetectors based on heterojunction or Schottky junction vertical structure is able to realize fast response. Considering the problems of narrow bandgap of hetero-material interfering solar-blind UV signal, and the poor crystal quality and electrical properties from bottom contact material resulting in the low responsivity of photodetector, our project will design and demonstrate Mott barrier-type Ga2O3/n-Ga2O3 core-shell structure avalanche photodetector, in which Sn-doped n-Ga2O3 microribbons serve as the bottom contact layer. Through charactering the material and device properties, researches of the relationship of material properties of n-Ga2O3 and core-shell structure and the relationship of their material properties and photoelectrical properties of the photodetector will be carried out. Through energy band theory and software simulation , the working mechanism of photodetector will be explained, revealling the controlling mechanism of device structure to photoelectrial properties. Mott barrier-type core-shell structure avalanche photodetector is anticipated to provide a feasible strategy to realize high performance solar-blind UV photodetectors with low dark current, high responsivity, and fast response speed, which will be of significant importance to promote their practical applications in the future.
Ga2O3是制备日盲紫外探测器的理想材料之一,在众多军民领域具有巨大的科研价值和应用前景。目前Ga2O3基日盲紫外探测器多以金属-半导体-金属(MSM)的平面结构为主,虽可实现>1000A/W的高响应度,但高响应度又是由高密度缺陷引起的持续光导导致的。因此,材料结晶质量低,器件性能可控性差,响应速度很慢(几秒到几十秒),这些都制约了器件的进一步应用。本课题围绕实现具有低暗电流、高响应度和快速响应特性的Ga2O3基日盲紫外探测器展开研究。本项目的主要研究内容为构建Ga2O3核壳结构雪崩探测器,以实现高性能日盲紫外探测。本项目从制备Sn掺杂Ga2O3薄膜和微米线入手,揭示了Sn掺杂过程中薄膜和微米线材料具有相同的演化规律,即由单一Sn掺杂Ga2O3相演化成SnO2和Ga2O3混合相。特别对于微米线材料,Sn掺杂的过程中形成了SnO2-Ga2O3核壳结构微米线。利用镊子夹取和Ag浆液滴注工艺,本项目制备了SnO2-Ga2O3核壳结构微米线日盲紫外雪崩探测器。在30V反向偏压下,SnO2与Ga2O3异质结出现反向击穿.击穿电压具有正的温度系数(0.35V/K),表明产生了雪崩击穿。在雪崩下,器件的暗电流为500pA,峰值响应度为3923 A/W(245nm),探测截止边为263nm,探测率为1e15 Jones,下降时间为0.8s。除响应时间未达预期外,其他性能指标均优于预期水平。同其他Ga2O3基雪崩探测器相比较,核壳结构雪崩探测除响应速度相对较慢外,暗电流更低且探测率和响应度更高。但其他Ga2O3基雪崩探测器制备工艺更加复杂且成本昂贵。响应时间较慢与Ga2O3壳层发生了持续光导有关。即便如此,响应时间也比具有可比较响应度的Ga2O3基MSM探测器更快。总之,本项目实现了工艺简单、成本低廉且可大规模制备的SnO2-Ga2O3核壳结构微米线日盲紫外探测器。该探测器具有高响应度、低暗电流以及高探测率等优异特性,在低速日盲紫外探测领域,如导弹预警、电晕放电检测、高温火焰监控、生化医学、刑侦检测和环境监控等,具有巨大的应用前景。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Zn0.5Cd0.5S nanoparticles modified TiO2 nanotube arrays with efficient charge separation and enhanced light harvesting for boosting visible-light-driven photoelectrochemical performance
Zn0.5Cd0.5S 纳米粒子修饰的 TiO2 纳米管阵列具有高效的电荷分离和增强的光捕获能力,可提高可见光驱动的光电化学性能
DOI:10.1016/j.jpowsour.2020.228956
发表时间:2021-01
期刊:Journal of Power Sources
影响因子:9.2
作者:Cao Ling;Xu Kangli;Fan Mingming
通讯作者:Fan Mingming
Growth and characterization of Sn-doped β-Ga2O3 thin films by chemical vapor deposition using solid powder precursors toward solar-blind ultraviolet photodetection
使用固体粉末前驱体进行化学气相沉积的 Sn 掺杂 β-Ga2O3 薄膜的生长和表征,用于日盲紫外光电探测
DOI:10.1016/j.apsusc.2019.144867
发表时间:2020-04-15
期刊:APPLIED SURFACE SCIENCE
影响因子:6.7
作者:Fan, Ming-Ming;Lu, Ying-Jie;Li, Xiu-Yan
通讯作者:Li, Xiu-Yan
DOI:--
发表时间:2020
期刊:红外与激光工程
影响因子:--
作者:高琳华;崔艳霞;梁强兵;刘艳珍;李国辉;范明明;郝玉英
通讯作者:郝玉英
Mixed-phase β-Ga2O3 and SnO2 metal-semiconductor-metal photodetectors with extended detection range from 293 nm to 330 nm
混合相 β-Ga2O3 和 SnO2 金属-半导体-金属光电探测器,检测范围从 293 nm 扩展到 330 nm
DOI:10.1016/j.jallcom.2020.157080
发表时间:2021-02-05
期刊:JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS
影响因子:6.2
作者:Fan, Ming-Ming;Cao, Ling;Li, Xiu-Yan
通讯作者:Li, Xiu-Yan
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