半导体论文提纲

论文题目：β-Ga₂O₃半导体薄膜的理论计算与实验研究

摘要：紫外探测器在导弹发射探测、空间和天文研究、环境监测、紫外线辐射校准和监测、光通信等领域有着广阔的应用前景,目前,在紫外光电探测器的制造中,多种宽带隙半导体材料已经被研究开发并应用于紫外光电探测器制造中。如氮化镓（Ga N）、碳化硅（Si C）、氧化锌（Zn O）、氧化镓（Ga2O3）等。与采用窄带隙Si制造的电子器件和光电器件相比,宽带隙半导体器件具有更高的抗击穿能力、更强的辐射耐受性和更大的器件功率,在“日盲区”工作的紫外探测器件的开发更突出的显示了宽带隙半导体器件的应用潜力,因此,新型宽带隙半导体材料就成为近几年来发展势头强劲的半导体材料和器件的研究热点。目前,以Si C和Ga N为代表的第三代化合物半导体已被广泛应用于微波、射频和功率放大器等应用领域,受到的关注度越来越高,在大功率、高温、高压应用场合已经发挥了传统的Si半导体器件无法实现的作用,同时在市场上也获得了丰厚的经济效益。而Ga2O3半导体具有更大的带隙（4.5-5.2e V）,更高的击穿场（6-8MV/cm）,更大的巴利加优值（Baliga’s figure of merit）、可在异质基质上外延生长、价格低廉等特点,在功率器件的制造上,具有比Si C和Ga N材料更强的竞争力。预计可在未来信息时代的三大应用领域,智能汽车、5G或6G通信和物联网建设等得到广泛应用。在传统的半导体紫外探测器制造中,主要通过平面加工工艺,利用宽带隙半导体外延层或薄膜来完成器件制备过程,因此,研究半导体薄膜材料的最佳制备条件以及不同掺杂元素对材料性能的影响就是Ga2O3半导体材料应用中的关键问题。针对目前我国在大尺寸、高质量β-Ga2O3晶体材料制备和器件方面研究上还比较落后的局面,本文利用MS材料计算软件和射频磁控溅射技术,对不同掺杂条件下β-Ga2O3半导体薄膜的能带进行了理论计算,并对薄膜的制备和特性进行了研究。从理论上分析了本征β-Ga2O3、Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3晶体超胞的能带结构、态密度和分波态密度;采用射频磁控溅射技术,在不同功率和退火温度下制备了本征β-Ga2O3、Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3薄膜,并通过掩膜技术,制备了不同沟道宽度的β-Ga2O3薄膜二极管器件,测试了不同β-Ga2O3薄膜二极管器件的光电特性。本文的研究结果可为β-Ga2O3半导体薄膜的掺杂改性以及未来器件的制备和应用提供理论及实验参考。主要研究内容如下:1、根据第一性原理的平面波超软赝势法,利用Material Studio 2018软件中的CASTEP模块,建立了1×1×1的β-Ga2O3半导体超晶胞结构,分别计算并比较了本征β-Ga2O3、Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3晶体超胞的能带结构、态密度和分波态密度。该研究计算结果可为β-Ga2O3半导体材料的掺杂改性及在新型功率器件、光电器件中应用中提供理论基础。2、利用射频磁控溅射技术,通过控制变量法改变实验参数,以Si片热氧化形成的Si O2膜层为衬底,在不同溅射功率、不同退火温度条件下,通过掩膜技术,制备了不同沟道宽度的本征β-Ga2O3薄膜二极管器件。利用XRD、SEM、EDS等实验室分析仪器对制备的本征β-Ga2O3薄膜的微结构、表面形貌、化学成分等进行了分析。采用四探针法,对不同条件下制备的本征β-Ga2O3薄膜的电导率进行了测试。利用Keithley-4200SC半导体特性测试仪分析了本征β-Ga2O3薄膜二极管器件的IV特性及光电特性。3、在不同溅射功率和退火温度条件下,采用双靶射频系统分别制备了Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3半导体薄膜。通过掩膜技术,还开展了不同沟道宽度的Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3半导体薄膜二极管器件的制备。利用XRD、SEM、EDS等分析仪器,研究了不同掺杂条件下半导体薄膜的微观结构、表面形貌、化学成分等,并且测试了Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3半导体薄膜的电导率。利用Keithley-4200SC半导体特性测试仪分析了不同制备条件下Sn掺杂的Sn/β-Ga2O3和Cu掺杂的Cu/β-Ga2O3半导体薄膜的二极管器件的IV特性和光电特性。发现掺杂Sn、Cu元素后,β-Ga2O3半导体薄膜二极管器件的IV特性和光电特性有明显的改善。研究结果对未来大功率β-Ga2O3半导体器件及紫外探测器的开发都具有一定的参考价值。

关键词：β-Ga₂O₃;光电探测器;光电特性;半导体薄膜;掺杂

学科专业：凝聚态物理

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 Ga_2O_3半导体材料的结构及基本性质

1.2 β-Ga_2O_3半导体材料的研究进展

1.3 β-Ga_2O_3薄膜应用前景

1.3.1 日盲探测器

1.3.2 深紫外探测器

1.3.3 X射线探测器

1.3.4 气敏探测器

1.4 β-Ga_2O_3半导体薄膜的研究现状

1.5 本论文的研究内容及创新点

1.5.1 本论文的研究内容

1.5.2 本论文的创新点

2 理论模型与计算方法

2.1 计算软件及理论计算方法

2.1.1 软件介绍

2.1.2 密度泛函理论

2.1.3 CASTAP模块

2.2 本征β-Ga_2O_3半导体理论计算与分析

2.2.1 理论计算

2.2.2 计算结果与分析

2.3 Sn元素掺杂β-Ga_2O_3的理论计算与分析

2.3.1 理论计算

2.3.2 计算结果与理论分析

2.4 Cu元素掺杂β-Ga_2O_3的理论计算与分析

2.4.1 理论计算

2.4.2 计算结果与理论分析

2.5 本章小结

3 二维本征β-Ga_2O_3薄膜制备与特性研究

3.1 二维本征β-Ga_2O_3薄膜的制备

3.2 二维本征β-Ga_2O_3薄膜样品的测试分析

3.2.1 本征β-Ga_2O_3薄膜样品XRD表征分析

3.2.2 本征β-Ga_2O_3薄膜样品EDS表征分析

3.2.3 本征β-Ga_2O_3薄膜样品SEM表征分析

3.2.4 本征β-Ga_2O_3薄膜样品的电导率研究分析

3.3 本征β-Ga_2O_3二极管光电器件的制备

3.4 β-Ga_2O_3光电二极管器件的IV特性分析

3.4.1 不同功率的β-Ga_2O_3光电二极管的IV特性分析

3.4.2 不同沟道宽度β-Ga_2O_3光电二极管的IV特性分析

3.4.3 不同光照条件下β-Ga_2O_3光电二极管的光电特性研究

3.5 β-Ga_2O_3二极管光电器件的光电响应特性分析

3.5.1 不同溅射功率下制备的β-Ga_2O_3二级管的器件的光电特性研究

3.5.2 不同沟道宽度条件下制备的β-Ga_2O_3光电二极管的光电特性研究

3.5.3 不同偏压下β-Ga_2O_3二极管器件的光电特性研究

3.6 本章小结

4 Cu、Sn掺杂的β-Ga_2O_3薄膜的制备及电学特性

4.1 Cu掺杂的Cu/β-Ga_2O_3单晶薄膜的制备与特性分析

4.1.1 Cu/β-Ga_2O_3单晶薄膜的制备

4.1.2 Cu/β-Ga_2O_3单晶薄膜的表征分析

4.1.3 Cu/β-Ga_2O_3单晶薄膜沟道二极管器件的IV特性分析

4.1.4 Cu/β-Ga_2O_3单晶薄膜沟道二极管器件的IT特性分析

4.2 Sn掺杂的Sn/β-Ga_2O_3单晶薄膜的制备与特性分析

4.2.1 Sn/β-Ga_2O_3单晶薄膜的制备

4.2.2 Sn/β-Ga_2O_3单晶薄膜的表征分析

4.2.3 Sn/β-Ga_2O_3单晶薄膜沟道二极管器件的IV特性分析

4.2.4 Sn/β-Ga_2O_3单晶薄膜沟道二极管器件的IT特性分析

4.3 纯β-Ga_2O_3、Cu/β-Ga_2O_3及Sn/β-Ga_2O_3薄膜沟道器件的IV特性对比

4.3.1 纯β-Ga_2O_3、Cu/β-Ga_2O_3、Sn/β-Ga_2O_3薄膜沟道器件的IV特性分析

4.3.2 纯β-Ga_2O_3、Cu/β-Ga_2O_3及Sn/β-Ga_2O_3薄膜沟道器件的IT特性对比

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢