AGZO薄膜晶体管的制备及其光电特性_王森.pdf

第 卷 第 期 年 月吉 林 建 筑 大 学 学 报 收稿日期：基金项目：吉林省科技厅科技发展计划项目（）；吉林省教育厅“十三五“科学计划项目（）作者简介：王 森（），男，河南省安阳市人，硕士研究生 通信作者：高晓红，女，吉林省长春市人，副教授，硕士 ：薄膜晶体管的制备及其光电特性王 森，高晓红，孙玉轩，张 悦，王 晗吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春 摘要：通过磁控共溅射的方法在热氧化 衬底上沉积了铝镓共掺杂氧化锌（）薄膜，并且制备了底栅型结构的 薄膜晶体管（），分析不同 靶材溅射功率对薄膜的表面形貌、粗糙度以及透射率和光学带隙的影响，研究 的电学性能和紫外探测性能 实验结果表明，薄膜在可见光区域平均透过率均超过，并且可以通过控制 靶材的溅射功率调控薄膜的光学带隙 当 靶材溅射功率为 时，制备所得的 的电学性能最优，其阈值电压为，电流开关比达到了 同时，的光电性能也较为优良，在 的紫外光照射下，其响应度为 ，光暗电流比为 ，探测度为 关键词：薄膜；紫外探测；响应度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）,，:,(),:;引言紫外光电探测系统经过几十年的稳步发展，逐渐应用在紫外通信、火焰探测、环境监测和导弹预警等领域，而紫外探测器是紫外探测系统中最为核心的器件，研制出高灵敏度、低功耗、体积小的器件是其中最关键的技术 紫外探测器的发展经历了光电倍增管、真空光电管、光电二极管等，这些类型的紫外探测器存在灵敏度低，体积大，电路集成复杂等缺点 近年来，随着新型宽禁带半导体材料的研究与发展，为紫外探测技术提供了新的方向和设计思路 而薄膜晶体管由场效应晶体管发展而来，其自身具有放大特性，并且体积小，吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷功耗小，便于电路集成，非常适合运用在紫外探测领域 年，等人采用 和 靶材在 衬底温度下，以磁控共溅射的方法制备了 掺杂的 薄膜，并以 掺杂 薄膜制备了光电探测器，其光暗电流比达到了 ，响应度为 ，研究证明了 掺杂 光电探测器具有良好的紫外探测性能 材料具有良好的稳定性、可见光区域透明、载流子迁移率高、含量丰富等优点，一些研究也证明了 基薄膜材料作为光敏层的光电探测器在紫外探测方面具有良好的性能 但其也面临着一定的难题，如氧化锌薄膜中存在氧空位缺陷和锌填隙等施主型本征缺陷，可能会影响器件的载流子浓度和载流子迁移率，导致器件的响应度、探测度等参数难以满足需求 为了提高 材料在紫外探测方面的性能，在 中掺入了 是一种典型的超宽禁带半导体材料，具有较高的热稳定性、化学稳定性和较高的平均透过率等特点 因此，在紫外探测领域具有很大的潜力，而且其具有较强的抗氧化能力，可以提高 的稳定性，得到性能较为稳定的薄膜晶体管 同时，有研究表明 掺杂可以调控薄膜带隙，减少氧化锌薄膜中的氧空位，从而减少载流子散射以及漏电流密度，降低器件的关态电流，提高器件的迁移率，器件对载流子的调控能力增强，其电学性能以及紫外探测性能会得到提高 本研究采用了 靶材和 靶材，通过磁控共溅射控制 靶材溅射功率的方法研究 的光电性能，最终制备得到紫外探测性能良好的 ，增加了氧化锌基薄膜晶体管在紫外探测中应用的可能性AIAISiO2p-SiAGZO图 薄膜晶体管结构 实验方法本实验采用 为栅绝缘层的 片为衬底，首先通过丙酮、无水乙醇和去离子水分别对衬底进行超声波清洗，去除衬底表面杂质，然后将清洗过的衬底放入烘箱中去除表面水汽，之后将衬底放入磁控溅射设备腔室中，利用磁控溅射的方式沉积 薄膜 磁控设备的型号为 公司生产的 靶材采用的是 靶材和金属 靶材 在磁控设备沉积薄膜之前，先将腔室真空度抽至 以下，然后通入纯度为 的，将腔室压强设定为，射频功率设定为，对靶材进行启辉 启辉之后设置生长条件，其中，溅射压强为 ，靶材射频功率为 ，靶材射频功率分别设置为 ，生长参数设置完成后进行沉积，沉积过程始终在室温下进行 沉积结束将样品取出进行光刻，之后采用 型电子束蒸发设备在光刻处理之后的光敏层上方蒸镀 厚的 作为叉指电极层，最后用丙酮进行剥离，即制备完成薄膜晶体管，如图 所示薄膜表面形貌的表征使用 型场效应扫描电子显微镜（），组分分析使用能谱仪（），采用 型原子力显微镜（）测试薄膜的粗糙度，采用 型号 射线衍射仪（）对薄膜结构进行测试分析，采用 型紫外可见分光光度计（）对薄膜的光学特性进行分析，最后使用 半导体参数测试仪对薄膜晶体管的光电性能进行了测试 结果与讨论图（）图（）分别为 靶材溅射功率为 ，时 薄膜表面形貌的 扫描图像，薄膜的放大倍数为 倍 根据图 中不同 靶材溅射功率的 图像，可以看到薄膜的表面形貌在不同 靶材溅射功率下并未出现明显变化，薄膜表面晶粒均匀，并且排列致密无孔隙，说明薄膜的生长状况良好第 期王 森，高晓红，孙玉轩，张 悦，王 晗：薄膜晶体管的制备及其光电特性 100 nm（）100 nm（）100 nm（）100 nm（）图 不同 靶材溅射功率的 图像 通过 对不同 靶材溅射功率制备的薄膜进行组分分析，可得不同元素的原子百分比，见表 根据表 数据可以看出，随着 靶材溅射功率的增加，其在薄膜中的原子百分比也逐渐增加，氧在薄膜中的原子百分比逐渐下降，且各元素与氧的比例逐渐接近 ，更加符合化学计量比表 不同 靶材溅射功率下的 薄膜的原子比例 原子 图（）图（）分别为 靶材溅射功率为 ，时薄膜在原子力显微镜（）下的图像 扫描范围为 ，根据 的扫描结果显示，随着 靶材溅射功率由 ，增加，薄膜的均方根粗糙度（）分别为 ，即随着 溅射功率的增加，薄膜粗糙度先减小后增加，粗糙度的减小说明薄膜的表面形貌更加平整光滑，半导体界面处的载流子散射减少，所以 的掺杂可能会有助于改善薄膜晶体管对载流子的调控能力，但是如果 溅射功率过大，过量的 会占据薄膜结构中的间隙位，出现团簇现象，影响薄膜结构，同时，薄膜粗糙度相应地也有所上升所以，适当的 溅射功率可以改善薄膜的表面形貌，可能有助于薄膜晶体管性能的提升图 为不同 靶材溅射功率下制备的 薄膜的 射线衍射图谱 薄膜的 扫描结果显示，当 靶材溅射功率为，时，在 处观察到（）峰 这表明 和 取代了 的位置，并且随着 靶材溅射功率增大，衍射峰峰值强度有所增加，轴取向晶格结构没有太大变化，峰强度的增加意味着 薄膜晶粒生长取向性增强，结晶度变高，薄膜中的晶界泄漏电流会减小，薄膜晶体管的性能可能会得到改善 但是，当 靶材的溅射功率增加到 时，薄膜中的衍射峰强度减小，这归因于过高的 溅射功率会导致过量的 占据薄膜中的间隙位，影响薄膜的生长，薄膜的结晶度会下降，器件性能可能会受到影响 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷10 nm50-5-1010 nm00-105 m43210012345 m01（）10 nm50-5-1010 nm00-105 m43210012345 m0（）10 nm50-5-1010 nm00-105 m43210012345 m0（）10 nm50-5-1010 nm00-105 m43210012345 m01（）图 不同 靶材溅射功率的 图像 25 W20 W15 W0 W衍射峰/（a.u.）30 00025 00020 00015 00010 0005 0000202530354045505560衍射角/deg.图 不同 靶材溅射功率制备的 薄膜的 谱图 为了验证 的掺杂会拓宽薄膜的带隙，测试了不同 溅射功率下制备薄膜的透过率，并且根据 公式作出其带隙图，公式如下：（）（）（）式中，为吸收系数；为入射光子的能量，；为常数；为光学禁带宽度，图（）和图（）分别为不同 溅射功率 薄膜透过率和带隙曲线的对比 由图（）可以看到，薄膜在可见光下均具有较高的透过率，平均都在 以上，并且 薄膜对紫外光的吸收率比 薄膜高，说明 在紫外探测领域的应用具有很大的可能性 由图（）可以看出，不同 靶材溅射功率下，薄膜的带隙分别为 ，这表明随着 溅射功率的增加，薄膜的带隙也会变大 这种带隙的拓宽主要是由 位移引起如图（）、图（）分别为制备所得不同 靶材溅射功率下的 的转移特性曲线和对应的 曲线 根据图（）可以看到，随着 靶材溅射功率的增加，器件的开启电压逐渐向正方向移动，且关态电流逐渐减小，饱和电流先增大后减小；根据图（）可以看到，随着 靶材溅射功率的增加，当 第 期王 森，高晓红，孙玉轩，张 悦，王 晗：薄膜晶体管的制备及其光电特性 靶材溅射功率为 时，阈值电压最接近 这是由于 的掺杂降低了薄膜中的氧空位浓度，载流子浓度随之减小，导致了阈值电压降低，而当 的溅射功率过大，绝缘层与沟道层之间会出现较高的界面态密度，器件需要更大的栅压才能将沟道导通，所以阈值电压也会增大100806040200透过率/%200300400500600700800波长/nm0 W15 W20 W25 W（）透过率曲线151050（ahv）210-4/（eVcm-1）23.03.23.43.63.84.0光子能量/eV0 W15 W20 W25 W（）带隙图图 不同 溅射功率 薄膜的透过率曲线和带隙图 （）（）0 W15 W20 W25 W10-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12IDS/A-20-10010203040VGS/V（）转移特性曲线0 W15 W20 W25 W3.010-22.510-22.010-21.510-21.010-25.010-30.0IDS1/2/A-20-10010203040VGS/V（）曲线图 不同 靶材溅射功率的 转移特性曲线和 曲线 （）（）不同 靶材溅射功率的 的具体性能参数见表 由表 可知，随着 靶材溅射功率的提高，器件的电流开关比、亚阈值摆幅等电学性能参数也在不断提高，当 靶材的溅射功率达到 时，器件的电学性能最优 其中，电流开关比达到了，亚阈值摆幅达到了 ，阈值电压为 电学性能之所以得到改善，是由于随着 掺杂量的提高，抑制了薄膜中的氧空位缺陷，并且改善了绝缘层和有源层之间的界面态，界面态缺陷密度 降低，从而减小了漏电流密度，降低了关态电流，栅压对载流子的调控能力增强，器件性能提高 但是当 溅射功率进一步升高时，过量的 可能会占据薄膜中的间隙位，影响薄膜的晶体结构，薄膜中的杂质缺陷会增加，导致载流子在迁移过程中遭到散射，从而降低了载流子迁移率表 不同 靶材溅射功率下的 的电学性能参数 靶溅射功率电流开关比 亚阈值摆幅 （）阈值电压 迁移率 （）界面缺陷态密度 （）吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷 如图（）图（）分别为 靶材在 ，溅射功率下的 的输出特性曲线 其中，范围在 ，从 增加到，步长为 根据图 不同 靶材溅射功率下的 的输出曲线可以看出，随着 增大不断增加，直到到达饱和电流，表现出典型的 沟道增强型场效应晶体管的输出特性，并且在器件工作的线性区不存在电流拥堵现象，说明有源层与电极层之间具有良好的欧姆接触0 V5 V10 V15 V20 V25 V30 V35 V40 V2.110-41.810-41.510-41.210-49.010-56.010-53.010-50.0IDS1/2/A010203040VGS/V（）2.410-42.110-41.810-41.510-41.210-49.010-56.010-53.010-50.0IDS1/2/A010203040VGS/V0 V5 V10 V15 V20 V25 V30 V35 V40 V（）0 V5 V10 V15 V20 V25 V30 V35 V40 V1.810-41.610-41.410-41.210-41.010-48.010-56.010-54.010-52.010-50.0IDS1/2/A010203040VGS/V（）0 V5 V10 V15 V20 V25 V30 V35 V40 V8.010-57.010-56.010-55.010-54.010-53.010-52.010-51.010-50.0IDS1/2/A010203040VGS/V（）图 不同 靶材溅射