GaZnO 薄膜晶體管在紫外探測中的性能研究

高悍津，高曉紅，王森，孫玉軒，楊晨，張子博

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院，吉林長春，130000）

0 引言

太陽輻射出來的紫外線波長范圍在10-400 nm 之間，其廣泛的存在于人們的日常生活中。紫外探測器在安全監(jiān)測和軍事等方面的應(yīng)用都具有巨大的潛力。紫外探測器可用于火災(zāi)預(yù)警及環(huán)境監(jiān)測，導(dǎo)彈制導(dǎo)和空間通訊等，因此紫外探測器的響應(yīng)時間至關(guān)重要[1]。ZnO 材料由于具有良好的穩(wěn)定性、可見光區(qū)域透明、載流子遷移率高、含量豐富等優(yōu)點，在新一代紫外探測器中具有很好的應(yīng)用前景。但其也面臨難以克服的難題，如ZnO 薄膜中施主缺陷導(dǎo)致器件的響應(yīng)時間、響應(yīng)度等參數(shù)難以滿足需求。例如，2019 年，Xu 等人制備的ZnO 薄膜晶體管在365 nm 的光照下上升時間和下降時間分別為62.6 s，30.1 s，其持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)明顯，下降時間緩慢[2]。因此，需要通過在ZnO 材料中摻雜合適的元素來提高ZnO 基薄膜材料質(zhì)量，從而掌握高性能的紫外探測器制備技術(shù)。依據(jù)文獻調(diào)研，Ga-O 鍵的鍵長非常接近Zn-O 鍵的鍵長。因此Ga 原子替位Zn 原子引起的晶格畸變較小[3]。同時，采用Ga 作為摻雜元素，可以抑制ZnO 薄膜中氧空位等本征缺陷來提升薄膜材料質(zhì)量，進而提高器件的光電性能[4]。因此通過摻雜Ga 元素可以制備出高性能的GaZnO 紫外探測器。

本文采用射頻磁控濺射沉積了GaZnO 薄膜，并且制備了以GaZnO 薄膜為光敏層的薄膜晶體管，討論和總結(jié)了GaZnO 器件的光電性能以及在365nm 波長光照下的響應(yīng)時間和響應(yīng)度。實驗結(jié)果表明，在可見光區(qū)域，GaZnO 薄膜的透過率達到了90%以上，在入射波長為365nm 的光照下其響應(yīng)時間較快，達到了5.2s，響應(yīng)度達到了18.75A/W。

1 實驗方法

實驗采用SiO2 為柵絕緣層的p-Si 為襯底，首先分別通過丙酮、乙醇和水對襯底進行超聲波清洗，去除表面雜質(zhì)，然后將清洗過的襯底放入磁控濺射設(shè)備中，利用磁控濺射的方式沉積GaZnO 薄膜。磁控設(shè)備的型號為Kurt J.Lesker公司的PVD75。靶材采用的是GaZnO 混合靶（97wt%ZnO，3wt% Ga2O3）。在磁控設(shè)備沉積薄膜之前，要先將腔室真空度抽至5×10-5 mTorr 以下，然后通入純度為99.999%的Ar 氣，將壓強設(shè)定為20 mTorr，射頻功率設(shè)定為50 W，對靶材進行啟輝。啟輝之后設(shè)置生長條件，其中，Ar：O2=90:10，濺射壓強為8mTorr，射頻功率為80 W，設(shè)置完成進行沉積，沉積過程始終在室溫下進行。沉積結(jié)束將樣品取出進行光刻，之后采用EB420 型電子束蒸發(fā)設(shè)備在光刻處理之后的光敏層上方蒸鍍50 nm 厚的Al 作為電極，最后用丙酮進行剝離，即制備完成薄膜晶體管。薄膜、器件的表征和測試使用了MFP-3D 型原子力顯微鏡、UV-2600型紫外可見分光光度計和Keysight B1500A 半導(dǎo)體參數(shù)測試儀。

2 結(jié)果與討論

圖1 是以GaZnO 為光敏層的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，器件是以p-Si 為襯底制備的底柵結(jié)構(gòu)，絕緣層厚度為100 nm，光敏層厚度為35 nm。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 是通過原子力顯微鏡對GaZnO 薄膜進行表征所得到的表面形貌圖。

圖2

根據(jù)AFM 掃描圖像可以看出薄膜的表面形貌較為光滑均勻，薄膜表面平整；且根據(jù)掃描結(jié)果顯示，GaZnO 薄膜的均方根粗糙度為0.624 nm，證明少量的Ga 摻雜彌補了薄膜的表面空隙,使得薄膜表面形貌變好,而在之前的報道,也有提到過光滑的薄膜表面形貌可以改善載流子的傳輸,從而使器得到更好的器件性能[5]。

如圖3 分別為GaZnO 薄膜的透過率曲線和禁帶寬度。

圖3

根據(jù)圖3(a)可以看到GaZnO 薄膜在365 nm 處具有陡峭的吸收邊，并且在可見光 區(qū)域，GaZnO 薄膜的透過率達到了90% 以上。GaZnO 薄膜的禁帶寬度可由Tauc 公式計算[6]:

式中:α 為吸收系數(shù)；hν 為入射光子的能量;C 為常數(shù);Eg為光學(xué)禁帶寬度;根據(jù)計算所得圖3(b) GaZnO 薄膜的(αhν)2 和hν 圖可以看出生長的GaZnO 薄膜的禁帶寬度為3.22 eV。

如圖4 為GaZnO 器件在黑暗和光照條件下的轉(zhuǎn)移曲線以及器件響應(yīng)度隨VGS變化的曲線。

根據(jù)圖4(a)可以看出，在VDS=20 V 的條件下，當(dāng)器件接受波長為365 nm 的紫外光照射時，IDS相比器件工作在黑暗條件下增大，VGS=40 V 時，IDS 達到了7.03 μA；并且隨著器件載流子濃度的增高，器件的閾值電壓向左移動，這是因為GaZnO 薄膜經(jīng)過紫外光照射吸收了光子，產(chǎn)生了光生載流子，從而產(chǎn)生了光電流，此時IDS由柵壓和光照共同決定。光電流是由光子產(chǎn)生的，當(dāng)具有足夠能量的光子撞擊光敏層時，價帶的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了光生載流子，光生載流子被源漏電極收集，因此產(chǎn)生了光電流，這也是紫外探測的原理[7]。響應(yīng)度是衡量紫外探測性能的重要參數(shù)。響應(yīng)度R 的計算公式如下[8]：

圖4

式中，Itotal為器件在光照條件下的總電流，Idark為器件的暗電流，P 為入射光功率，Iph為器件在光照條件下產(chǎn)生的光電流，ρ 為入射光功率密度，As是有效光電感應(yīng)區(qū)域面積。根據(jù)圖4(b)可以看到，器件的響應(yīng)度隨著VGS的增加逐漸增大，這是因為隨著柵壓的增大，有源層中會有更多的自由電子向絕緣層移動，在靠近絕緣層的有源層中形成電子積累層，累積的載流子會越來越多，IDS隨之上升，器件產(chǎn)生的光電流也同樣上升，所以響應(yīng)度會隨著柵壓的增大而增強[9]。

如圖5 是在不同柵壓下器件在黑暗和365nm 光照條件下的輸出曲線，以及器件響應(yīng)度隨源漏電壓變化的曲線。

根據(jù)圖5(a)(b)器件的輸出曲線可以看出，IDS隨著VDS增大不斷增加，直到到達飽和電流，表現(xiàn)出了典型的n 溝道增強型場效應(yīng)晶體管的輸出特性。器件在接受365 nm 光照時，IDS相比在黑暗條件下增加。當(dāng)VGS=5 V 時，IDS的增加不受VGS影響，器件接受365 nm 光照IDS隨著VDS的增大，IDS從47.3 pA 增加到2.28 nA，增加了兩個數(shù)量級左右；當(dāng)VGS=40 V 時，IDS受柵壓和光照的共同影響，IDS從2.64 μA增加到3.67 μA。根據(jù)圖5(c)(d)可以看出器件的響應(yīng)度隨VDS的增加而不斷增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為隨著VDS的增加，會加速光生載流子的分離以及載流子的輸運，所以光電流隨之增大，響應(yīng)度增強。

圖5

如圖6 是器件在光照條件下多個光周期下的動態(tài)響應(yīng)，測試器件在365 nm 光照條件下VDS為15 V，VGS為8 V 時的動態(tài)響應(yīng)。測試的光照周期為80s，開啟時間為40s，關(guān)閉時間為40s。

圖6 器件在VDS 為 15V，VGS 為8V 時正柵極脈沖的動態(tài)響應(yīng)（樣品在 365nm 光照條件下）

根據(jù)圖6 可以看出。器件在“開”和“關(guān)”循環(huán)光照下具有明顯的光響應(yīng)，電流迅速上升到nA 級別，且響應(yīng)速度較快，其上升時間為5.2s，下降時間為6s。在關(guān)閉光照后，暗電流不能很快的恢復(fù)到初始狀態(tài)。這主要歸因于與帶隙中氧空位相關(guān)的缺陷導(dǎo)致的持續(xù)光電導(dǎo)（PPC）現(xiàn)象[10]。PPC 會使半導(dǎo)體材料再沒有光照的條件下，仍可以保持一段時間的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象雖然會使響應(yīng)時間增加，但是整體來看動態(tài)響應(yīng)曲線是比較穩(wěn)定和連續(xù)的。

3 結(jié)論

本文采用了磁控濺射的方式在p-Si 襯底上沉積了GaZnO 薄膜，并且制備了以GaZnO 薄膜為光敏層的薄膜晶體管，研究了少量Ga 元素摻雜對GaZnO 薄膜性能的影響以及對器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能的影響。通過AFM 對GaZnO 薄膜進行表征，薄膜表面比較光滑平整，顆粒排列緊密，且薄膜表面粗糙度較低（0.624 nm）。GaZnO 薄膜在365nm 處具有陡峭的吸收邊，并且在可見光區(qū)域，GaZnO 薄膜的透過率達到了90%以上。器件開關(guān)比為4.74×105，在入射波長為365 nm 的光照下器件具有穩(wěn)定連續(xù)的動態(tài)響應(yīng)，且響應(yīng)時間較快達到了5.2 s。響應(yīng)度達到了18.75 A/W。不同柵壓下，靈敏度在100～103之間。實驗表明GaZnO 器件非常適合應(yīng)用于紫外探測中。