室溫生長ZnO薄膜晶體管的紫外響應(yīng)特性*

吳萍 張杰 李喜峰 陳凌翔 汪雷 呂建國?

1)(浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系，硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027)

2)(上海大學(xué)，新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072)

(2012年6月18日收到;2012年8月11日收到修改稿)

1 引言

紫外光電探測器由于其在經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注[1-3].以往紫外光電探測器主要采用Si基二極管制備，但是Si基探測器響應(yīng)速度較慢，因此選取新材料取代Si制備高效固態(tài)紫外探測器成為一項(xiàng)重要研究課題.目前研究主要集中在一些直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料如GaN[4-7]，ZnSe[8,9]，ZnO[10-20]上.

在所有的寬禁帶半導(dǎo)體材料中，ZnO由于在室溫下具有較大的禁帶寬度(3.37 eV)，且ZnO在室溫條件就能沉積結(jié)晶質(zhì)量好的薄膜，這些有利條件都為制備高效固態(tài)紫外探測器提供了可能.此外，ZnO紫外光電器件具有較多的結(jié)構(gòu)，如光電二極管，肖特基二極管和p-n結(jié)二極管[10,12-20]，為其實(shí)際應(yīng)用提供了方便.近年來，Bae等[13]研究了SiO2/Si襯底上的ZnO薄膜晶體管(TFTs)的光電探測性能，其結(jié)果驗(yàn)證了以ZnO-TFTs作為紫外探測器的可能，對于實(shí)際應(yīng)用具有重大意義.雖然大量的研究表明室溫下可制備出高性能的ZnO-TFTs，但是關(guān)于ZnO-TFTs紫外光響應(yīng)特性的研究仍非常有限.

本文研究了室溫下制備的底柵共平面型結(jié)構(gòu)透明ZnO-TFTs的紫外光響應(yīng)特性，以期能更好地了解紫外光照對ZnO-TFTs的影響，以便于其實(shí)際運(yùn)用.

2 實(shí)驗(yàn)

我們制備了底柵共面型ZnO-TFTs，這種器件結(jié)構(gòu)在我們之前的工作中有過報(bào)道[21].圖1為ZnO-TFTs器件的實(shí)物圖(俯視).試驗(yàn)采用普通玻璃作為襯底，通過磁控濺射沉積一層150 nm金屬Cr作為底柵極，接著150 nm的SiNx柵極絕緣層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積方法沉積，然后濺射一層100 nm ITO或金屬Cr作為源漏電極，所有電極圖形都是通過光刻和濕化學(xué)刻蝕方法獲得，TFT器件溝道的寬度和長度分別為100和100μm.100 nm的ZnO溝道層通過掩膜采用射頻(13.56 MHz)磁控濺射在室溫下沉積，靶材為高純ZnO陶瓷靶(99.99%)，靶材和襯底的距離為6 cm，濺射功率為5.1 W/cm2，濺射在純Ar的氣氛中進(jìn)行，濺射壓強(qiáng)為1 Pa，濺射完畢襯底溫度升高5°C—7°C.

ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和形貌特性采用X射線衍射 (XRD，D/max-RA型)，原子力顯微鏡(AFM，SPI3800N)和場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hi-tachi S4800型)進(jìn)行測試.采用分光光度計(jì)(Shimadzu UV-vis 3600型)測量薄膜的透射率和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Agilent E5270B型)測量ZnO-TFTs的性能.紫外光照采用單色254 nm光源，其能量密度與光照射距離的關(guān)系由Si紫外光探測器測量.

圖1 ZnO薄膜晶體管實(shí)物圖及其溝道處的放大光學(xué)顯微圖片

3 結(jié)果與討論

3.1 ZnO薄膜的特性

室溫下沉積ZnO薄膜的XRD結(jié)果如圖2所示，其中插圖為該薄膜的原子力顯微AFM形貌.從圖中可以看出34.2°處具有明顯的峰值，這與ZnO的(002)晶面峰位相同，表明了所沉積ZnO薄膜具有c軸擇優(yōu)取向，圖中23°附近的較弱的峰為玻璃襯底的信號峰.AFM結(jié)果顯示薄膜的晶粒尺寸和平均晶粒粗糙度分別為16和1.5 nm.掃描電鏡圖譜(該圖未在文中給出)觀察到的ZnO薄膜的微觀形貌與AFM所得結(jié)果基本一致.從以上結(jié)果可知，ZnO薄膜由六角密排的晶粒有序在襯底上排列而成，并沒有明顯的空洞和缺陷存在.

圖3為ZnO薄膜的紫外可見光透射率圖譜.ZnO薄膜在可見光范圍內(nèi)的平均透射率超過85%.根據(jù)Tauc方程，以(ahv)2對hv做圖(如圖3中插圖)可得薄膜的光學(xué)禁帶寬度為3.25 eV.此外，由圖可知ZnO薄膜在波長為365 nm時(shí)仍有34%的透射率，表明此時(shí)紫外光并沒有完全被薄膜吸收，可能是由于薄膜較薄(100 nm)的原因.

圖2 玻璃襯底及其襯底上室溫生長ZnO薄膜的XRD圖譜，插圖為ZnO薄膜的AFM圖譜

圖3 ZnO薄膜在300—2500 nm波長內(nèi)的透射譜圖，插圖為(ahv)2-hv曲線，且從插圖中紅線的截距可得薄膜的光學(xué)禁帶寬度為3.25 eV

3.2 ZnO-TFTs的紫外光響應(yīng)

圖4為ZnO-TFTs在沒有光照射和254 nm(能量密度為8μW/cm2)紫外光照射下的輸出特性曲線(IDS-VDS).在柵極電壓為40 V，沒有光照的條件下，ZnO-TFTs的輸出特性曲線有明顯的夾斷點(diǎn)和電流飽和特性，且此時(shí)的飽和電流為1.3μA.而在254 nm紫外光照射下飽和電流增加到7μA，為前者的6倍，此飽和電流的增加是由于紫外光照射下在ZnO溝道層中引入載流子(電子和空穴)所致.此外，在紫外光照下，ZnO-TFTs器件的電流的飽和特性有明顯的改變，其輸出特性曲線與沒有光照條件下不太一樣，沒有完整的電流飽和區(qū).

圖4 (a)無光照和(b)在254 nm紫外光照下的ZnO薄膜晶體管的輸出特性曲線

圖5 無光照和紫外光照條件下VDS為5 V時(shí)ZnO薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線

圖5為在漏極電壓為5 V時(shí)測得的ZnO-TFTs器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(IDS-VGS)，通過該曲線可進(jìn)一步研究ZnO-TFTs器件的紫外光響應(yīng)特性.無光照射時(shí)的ZnO-TFTs的電子遷移率為0.3 cm2/V·s-1，開關(guān)比為103.而紫外光照射下，ZnO-TFTs的關(guān)態(tài)電流明顯增強(qiáng)，且電流值比無光照時(shí)增加了近3個(gè)數(shù)量級，這是由于高能量的紫外光能有效激發(fā)ZnO溝道層中載流子的產(chǎn)生.與關(guān)態(tài)電流不同的是，紫外光照對開態(tài)電流僅有較小的影響，這是由于開態(tài)時(shí)柵電壓誘導(dǎo)產(chǎn)生的載流子濃度遠(yuǎn)大于光生載流子濃度.

圖6為ZnO-TFTs器件在光照之前以及移除紫外光在黑暗條件下保存7天后的輸出特性曲線(IDS-VDS).相較于光照前，器件經(jīng)光照后放置7天，在零柵壓下仍然具有較大的源漏電流(IDS)，該結(jié)果表明ZnO溝道層電阻率減小了.在紫外光移除7天后，器件的關(guān)態(tài)電流仍然不能回復(fù)到原始狀態(tài)，說明器件中殘留了一部分電導(dǎo)，且該殘余電導(dǎo)對開態(tài)電流亦有一定影響，因?yàn)楣庹蘸笃骷谙嗤臇艍合戮哂懈蟮腎DS.這種光照后的殘余電導(dǎo)可能與ZnO溝道層中的氧空位施主缺陷的形成有關(guān).

圖6 ZnO薄膜晶體管在光照前及移除254 nm紫外光在黑暗條件下保存7天后的輸出特性曲線

理論研究表明，未摻雜的ZnO中存在大量的氧空位缺陷[22].在ZnO中，中性的氧空位會(huì)在價(jià)帶頂附近形成大量的深能級態(tài)，紫外光照能激發(fā)這些中性氧空位產(chǎn)生帶有電荷的氧空位而在紫外光照射下，由于其光子能量大于ZnO的禁帶寬度，ZnO溝道層中的電子從價(jià)帶(VB)激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶(CB)，并在價(jià)帶中形成自由空穴.因此，紫外光照后器件的關(guān)態(tài)電流增加了幾個(gè)數(shù)量級.而對于開態(tài)電流卻只有較小的增加，其原因在于柵電壓誘導(dǎo)的載流子濃度遠(yuǎn)大于光生載流子.此外，我們還觀察到，關(guān)態(tài)電流即使是移除紫外光在黑暗條件下保存7天后仍不能回復(fù)到原始狀態(tài).這種殘余電導(dǎo)可能是光照時(shí)在ZnO溝道層中形成了一些穩(wěn)定的氧空位缺陷造成的.從另一方面來說，殘余電導(dǎo)對開態(tài)電流幾乎沒有影響，這是由于開態(tài)電流本身比殘余電導(dǎo)引入的電流大幾個(gè)數(shù)量級的原因.

4 結(jié)論

我們在室溫下制備了底柵共平面結(jié)構(gòu)的ZnOTFTs，器件未經(jīng)過任何后續(xù)熱處理.研究表明，ZnOTFTs具有明顯的紫外光響應(yīng)特性，紫外光照使器件輸出特性曲線的飽和電流增加了數(shù)倍，同時(shí)也使轉(zhuǎn)移特性的關(guān)態(tài)電流提高了3個(gè)數(shù)量級.由于開態(tài)時(shí)柵電壓誘導(dǎo)產(chǎn)生的載流子濃度遠(yuǎn)大于光生載流子濃度，紫外光照對開態(tài)電流影響較小，所以沒有光照和紫外光照下器件開關(guān)態(tài)電流比相差極大.這些明顯的變化對高靈敏紫外探測都是十分有利的.但是室溫制備ZnO-TFTs用于紫外探測也存在一些不足，因?yàn)樽贤夤庹湛梢约せ畋∧ぶ械难蹩瘴皇┲魅毕荩瑥亩鴮?dǎo)致ZnO溝道層的殘余電導(dǎo).

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