论文摘要
碳化硅（SiC）材料由于具有宽禁带（4H-SiC为3.26eV）、高击穿电场、高热稳定性等优点,在紫外光电探测领域展现出了极大的潜力。各种结构的4H-SiC基紫外探测器（如肖特基、金属。半导体.金属（MSM）、p-i-n以及雪崩探测器等）在尾焰探测、臭氧层检测、短波通讯等方面展现出了良好的应用前景。为了提高探测器对入射光线的吸收效果,一般采用热氧化的方法在4H-SiC紫外探测器的入射表面上生长一层SiO2薄膜,作为探测器的减反射膜和钝化层,以提高器件的量子效率和响应度。这层SiO2薄膜虽然在抑制器件暗电流方面起到了良好的作用,但是在消除光学损耗方面却具有一些不可避免的缺点,主要是:对紫外线的反射率较高、薄膜和界面吸收较大和厚度不能精确控制。因此,为了消除这些缺陷,进一步提高4H-SiC基紫外探测器的量子效率,本文主要开展了4H-SiC基紫外探测器减反射膜的设计、制备以及应用工作,并取得了以下重要结果:1.根据薄膜的透明波段、消光系数、折射率、机械性能和化学稳定性,从几十种光学薄膜材料中挑选了Al2O3和SiO2,作为4H-SiC基紫外探测器的减反射膜材料。考虑到薄膜的稳定性,设计将SiO2膜置于Al2O3膜与4H-SiC基底之间,Al2O3作为外层膜淀积在SiO2薄膜之上。应用矢量法和导纳匹配技术,对薄膜的厚度进行设计。考虑到薄膜实际制备中的误差,模拟了折射率、厚度等变化对薄膜反射率的影响。结果发现:厚度变化对薄膜反射率的影响最大,但折射率、消光系数和表面粗糙度等因素的影响也不能忽视。2.根据减反射膜的设计,应用电子束蒸发工艺在4H-SiC基底上淀积了总厚度为138nm的Al2O3/SiO2薄膜。通过反射率测试发现,该薄膜在276nm具有0.25%的反射率极小值,是目前在4H-SiC基底上所能得到的最小值。由于有些4H-SiC探测器的制备需要高温退火,所以将制备好的Al2O3/SiO2薄膜分别在550、950及1100℃的氮气中退火来检验薄膜特性。测试结果发现:反射率极小值随退火温度的升高有蓝移的趋势,反射率最小值有轻微的波动,但仍然保持在0.4%左右。检测发现这是由于薄膜厚度降低造成的。薄膜表面的粗糙度和颗粒均会随退火温度升高而增加,但退火后的薄膜粗糙度比退火前的小。尽管Al2O3/SiO2薄膜在退火前后始终保持在无定形状态,但是薄膜和基底界面随退火温度的升高有互扩散现象,并且有铝硅酸盐和低值Si氧化物的生成。3.制备了具有Al2O3/SiO2减反射膜的4H-SiC基MSM紫外探测器,以及具有热氧化SiO2薄膜的4H-SiC同类型器件。测试结果表明Al2O3/SiO2/4H-SiC器件的光电流是SiO2/4H-SiC器件的两倍,但前者的暗电流与后者相比较大,在10V偏压下分别为7.5和0.5pA。Al2O3/SiO2/4H-SiC器件在20V偏压下的响应度峰值位于在290nm处,达到0.12A/W,为SiO2/4H-SiC器件的两倍。经计算,Al2O3/SiO2/4H-SiC器件的内外量子效率峰值均在280nm波长,分别为50%和77%,是目前量子效率最高的4H-SiC基MSM探测器。经过对比发现,在240-300nm,Al2O3/SiO2薄膜的反射率与器件的响应度吻合得很好。4.采用氧化和电子束蒸发两种淀积工艺制备的Al2O3/SiO2减反射膜,应用到了4H-SiC基p-i-n紫外光电二极管上。经测试发现,由于Al2O3/SiO2/4H-SiC器件钝化层的侧壁钻蚀,造成该器件的暗电流比热氧化的SiO2/4H-SiC同类型器件大,在10V偏压下分别为3.9和0.1pA。不过,前者的在280nm光照下的电流却是后者的2.8倍,达到2.8nA。两种器件的响应度随反偏电压的增加均有很小的增益。在10V的偏压下,Al2O3/SiO2/4H-SiC和SiO2/4H-SiC器件的响应度峰值分别位于270和260nm,大小为49和32mA/W,对应外量子效率分别为23%和15%。经过分析发现:这两种器件的量子效率低是由于i层没有完全耗尽造成的。两种器件的响应度峰值与反射率最小值均吻合得很好。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论§1.1 4H-SiC基紫外光电探测器概述§1.2 4H-SiC基紫外减反射膜的研究现状§1.3 本文工作与论文结构参考文献第二章 4H-SiC材料的性质§2.1 SiC材料的基本性质§2.1.1 SiC材料的晶体结构§2.1.2 SiC材料的命名§2.2 4H-SiC材料的光学性质§2.2.1 透射率和反射率§2.2.2 折射率§2.2.3 吸收系数§2.3 4H-SiC材料的电学性质§2.3.1 本征载流子浓度§2.3.2 迁移率与漂移速度§2.3.3 电离率与临界击穿电场§2.3.4 表面复合参考文献第三章 4H-SiC基紫外减反射膜的设计§3.1 紫外光学薄膜材料的选择§3.1.1 透明波段§3.1.2 消光系数§3.1.3 折射率§3.1.4 机械性能§3.1.5 化学稳定性§3.2 4H-SiC基紫外减反射膜的设计§3.2.1 矢量作图法§3.2.2 导纳匹配技术§3.3 薄膜参数误差对反射率的影响§3.3.1 折射率误差的影响§3.3.2 厚度误差的影响§3.3.3 其他影响§3.4 本章总结参考文献第四章 4H-SiC基紫外减反射膜的制备与测试2O3/SiO2薄膜的制备方法'>§4.1 Al2O3/SiO2薄膜的制备方法§4.1.1 电子束蒸发§4.1.2 磁控溅射2O3/SiO2薄膜的制备及退火工艺'>§4.2 Al2O3/SiO2薄膜的制备及退火工艺§4.2.1 制备工艺§4.2.2 退火工艺2O3/SiO2薄膜的测试与分析'>§4.3 Al2O3/SiO2薄膜的测试与分析§4.3.1 反射谱§4.3.2 折射率与厚度§4.3.3 表面与截面形貌§4.3.4 X射线衍射谱（XRD）§4.3.5 X射线光电子能谱（XPS）§4.4 本章总结参考文献2O3/SiO2减反射膜的4H-SiC基MSM紫外光电探测器'>第五章 4H-SiC基紫外减反射膜的应用之一——具有Al2O3/SiO2减反射膜的4H-SiC基MSM紫外光电探测器§5.1 MSM紫外光电探测器的结构与工作原理§5.2 MSM紫外光电探测器性能参数的理论分析§5.2.1 暗电流§5.2.2 光电流§5.2.3 量子效率与响应度§5.2.4 电容和截止频率2O3/SiO2/4H-SiC MSM紫外光电探测器的制备及关键工艺研究'>§5.3 Al2O3/SiO2/4H-SiC MSM紫外光电探测器的制备及关键工艺研究§5.3.1 晶片材料参数§5.3.2 器件制备流程§5.3.3 关键工艺探究2O3/SiO2/4H-SiC MSM紫外光电探测器的性能测试与分析'>§5.4 Al2O3/SiO2/4H-SiC MSM紫外光电探测器的性能测试与分析§5.4.1 测试系统简介§5.4.2 测试原理与方法§5.4.3 测试结果与讨论§5.5 本章总结参考文献2O3/SiO2减反射膜的4H-SiC基p-i-n紫外光电二极管'>第六章 4H-SiC基紫外减反射膜的应用之二——具有Al2O3/SiO2减反射膜的4H-SiC基p-i-n紫外光电二极管§6.1 p-i-n紫外光电二极管的工作原理与器件结构§6.2 p-i-n紫外光电二极管性能参数的理论分析§6.2.1 暗电流§6.2.2 光电流§6.2.3 量子效率和响应度§6.2.4 响应速度*'>§6.2.5 噪声等效功率（NEP）和归一化探测率D*2O3/SiO2/4H-SiC p-i-n紫外光电二极管的制备及关键工艺'>§6.3 Al2O3/SiO2/4H-SiC p-i-n紫外光电二极管的制备及关键工艺§6.3.1 晶片材料参数§6.3.2 器件制备流程§6.3.3 关键工艺探究2O3/SiO2/4H-SiC p-i-n紫外光电二极管的性能测试与分析'>§6.4 Al2O3/SiO2/4H-SiC p-i-n紫外光电二极管的性能测试与分析§6.4.1 测试原理与方法§6.4.2 测试结果与讨论§6.5 本章总结参考文献第七章 工作总结与展望§7.1 工作总结§7.2 今后研究工作计划附录 博士期间发表论文及申请专利致谢
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标签：薄膜论文; 光电探测器论文;
4H-SiC基紫外探测器减反射膜的设计、制备及应用
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