付 鈺，高曉紅，孟 冰，王 森，孫玉軒

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來(lái),隨著薄膜晶體管(TFT)技術(shù)的成熟,在應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域內(nèi)的同時(shí),研究人員也在探索其在光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用.TFT作為一種重要的開(kāi)關(guān)器件,其性能的高低在很大程度上受到其半導(dǎo)體溝道層的影響[1].因此,溝道層材料對(duì)于薄膜晶體管性能的影響非常明顯.作為寬禁帶半導(dǎo)體材料的氧化鋅(ZnO)具有高遷移率等良好的電學(xué)特性,在可見(jiàn)光區(qū)域具有高透過(guò)率,并具有較強(qiáng)的抗輻射性[2],在透明顯示技術(shù)及傳感器技術(shù)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用.

通過(guò)離子摻雜方法,如InGaZnO[3],MgInZnO[4],GaZnO[5]等,調(diào)控ZnO基半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性與光學(xué)特性成為當(dāng)前光電探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).Ga與ZnO良好的晶格匹配性[6],同時(shí)Ga的摻雜可以抑制ZnO材料中氧空位的形成,進(jìn)而有效控制載流子的濃度[7].因此,我們以InGaZnO材料為有源層,采用底柵結(jié)構(gòu)制備了具有良好電學(xué)特性的薄膜晶體管,并在不同波長(zhǎng)的紫外光照下進(jìn)行了光電響應(yīng)測(cè)試,所制備的IGZO TFT顯示出較強(qiáng)的光響應(yīng)特性.

1 實(shí)驗(yàn)方法

本研究在具有100 nm熱氧化硅的p型Si片上制備共柵共絕緣層的底柵頂接觸TFT器件,圖1展示了以IGZO為有源層的TFT的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 TFT器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT device

器件溝道長(zhǎng)為10 nm,寬為300 nm.制備工藝為：在具有100 nm熱氧化硅的p型Si片上用磁控濺射的方法沉積了50 nm厚的IGZO有源層,再利用光刻機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行圖案化,圖案化完成后用電子束蒸發(fā)(E-Beam)在有源層上鍍上50 nm的Al叉指源漏電極.使用Keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試TFT器件的電學(xué)性能和在254 nm及365 nm光照條件下的光電響應(yīng)特性.

2 結(jié)果與討論

圖2為IGZO TFT在無(wú)光照條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線. 其中,閾值電壓和飽和遷移率是在IDS1/2和VGS線性外推中提取出來(lái)的,亞閾值擺幅(SS)是在log(IDS)和VGS圖的線性部分中提取出來(lái)的.表1給出了IGZO TFT在不同VDS下主要電學(xué)參數(shù).

表1 IGZO TFT電學(xué)性能參數(shù)Table 1 Electrical performance parameters of IGZO TFT

從圖2及表1中可以發(fā)現(xiàn)器件的飽和遷移率隨著源漏電壓的升高而增加,其電流開(kāi)關(guān)比則是隨著源漏電壓的升高而減小.IGZO TFT器件的閾值電壓和開(kāi)啟電壓隨著源漏電壓的升高均呈上升趨勢(shì).亞閾值擺幅則是穩(wěn)定在5 V/decade左右.在源漏電壓為10 V時(shí),該器件的電學(xué)性能相對(duì)較好,飽和遷移率為173 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到10的8次方.器件在柵極電壓為10.5 V時(shí)開(kāi)啟,閾值電壓為28.5 V,亞閾值擺幅約等于5 V/decade,得到的閾值電壓要小于常規(guī)的有機(jī)或無(wú)機(jī)薄膜晶體管[3].

圖2 IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.2 Transfer characteristics of IGZO TFT

圖3為IGZO TFT在無(wú)光照條件下的輸出特性曲線.由圖3器件的輸出特性曲線發(fā)現(xiàn), 在相同柵極電壓VGS下,隨著源漏電壓VDS的增大,源漏電流IDS先顯著增大,隨后趨于穩(wěn)定,這表明柵極電壓VGS對(duì)器件的源漏電流IDS不僅起到了很好的調(diào)控作用,而且表現(xiàn)出較好的夾斷特性.在輸出特性曲線中沒(méi)有觀察到電流擁堵現(xiàn)象,說(shuō)明溝道層和電極之間的歐姆接觸良好.

圖3 IGZO TFT的輸出特性曲線Fig.3 Output characteristics of IGZO TFT

圖4展示了當(dāng)源漏電流VDS=10 V時(shí),IGZO TFT在不同照明條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線.在不同的源漏電壓.VDS下器件的轉(zhuǎn)移特性曲線均發(fā)生了相同趨勢(shì)的變化.在紫外光的照射下,關(guān)態(tài)區(qū)均出現(xiàn)了顯著的光響應(yīng),在飽和區(qū)也可觀察到源漏電流IDS的增加.254 nm光照下的飽和電流要略大于365 nm光照下的飽和電流.通過(guò)無(wú)光照條件和不同光照條件下的對(duì)比,可知IGZO TFT對(duì)254 nm光照的響應(yīng)強(qiáng)于對(duì)365 nm光照的響應(yīng).

圖4 IGZO TFT 柵極電壓為10 V時(shí)在無(wú)光照和其他照明條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.4 Transfer characteristic curves of IGZO TFT withgate voltage of 10 V under no illuminationand other illumination conditions

圖5展示了VGS=10 V時(shí)，IGZO在不同照明條件下的輸出特性曲線.通過(guò)光照，該曲線表現(xiàn)出了更好的飽和特性,說(shuō)明接觸電阻有所減小.在不同的柵極電壓VGS下,器件的輸出特性曲線也出現(xiàn)了相同趨勢(shì)的變化.當(dāng)柵極電壓為10 V時(shí),飽和電流在365 nm光照下提高了將近6個(gè)數(shù)量級(jí),而在254 nm光照下提高了將近7個(gè)數(shù)量級(jí).觀察到的現(xiàn)象顯然是由于IGZO薄膜中存在過(guò)多由于光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子[9].這說(shuō)明器件對(duì)254 nm和365 nm的光照均有響應(yīng),且對(duì)254 nm光照的響應(yīng)要強(qiáng)于對(duì)365 nm光照的響應(yīng),這與在不同光照條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線得出的結(jié)果一致.

圖5 IGZO TFT 柵極電壓為10 V時(shí)在無(wú)光照和其他照明條件下的輸出特性曲線Fig.5 Output characteristic curve of IGZO TFT withgate voltage of 10 V under no illuminationand other illumination conditions

光響應(yīng)度(photoresponsivity)由下式計(jì)算:

(1)

式中,Idark是無(wú)光照條件下的源漏電流,A;IDS是光照條件下的源漏電流,A;Pinc是入射光的功率,W.光照的入射光功率測(cè)得為6×10-6W.

通過(guò)計(jì)算得出,器件在254 nm光照條件下,光響應(yīng)度為44.81 A/W;在365 nm光照條件下,光響應(yīng)度為1.98 A/W.結(jié)果再次表明制備的薄膜晶體管對(duì)紫外線敏感,且其對(duì)254 nm光照的響應(yīng)要強(qiáng)于對(duì)365 nm光照的響應(yīng).

3 結(jié)論

利用濕法光刻技術(shù)和射頻磁控濺射的方法在Si襯底上制備了具有叉指電極結(jié)構(gòu)的底柵型IGZO薄膜晶體管,研究了其電學(xué)和光電性能.得出結(jié)論如下：

(1) 在VDS為10 V時(shí),得到了飽和遷移率為173 cm2/Vs,電流開(kāi)關(guān)比達(dá)到108,開(kāi)啟電壓為10.5 V,亞閾值擺幅大約為5 V/decade的開(kāi)關(guān)器件.

(2) 通過(guò)在不同光照條件下的測(cè)試表明，IGZO TFT器件對(duì)254 nm和365 nm的光照均能發(fā)生響應(yīng).

(3) 器件在254 nm光照條件下的光響應(yīng)度達(dá)到了44.8 A/W.

(4) 這種以IGZO為有源層并具有叉指電極結(jié)構(gòu)的TFT可以應(yīng)用于光電探測(cè)領(lǐng)域.