GaZnO 薄膜晶体管在紫外探测中的性能研究

高悍津，高晓红，王森，孙玉轩，杨晨，张子博

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林长春，130000）

0 引言

太阳辐射出来的紫外线波长范围在10-400 nm 之间，其广泛的存在于人们的日常生活中。紫外探测器在安全监测和军事等方面的应用都具有巨大的潜力。紫外探测器可用于火灾预警及环境监测，导弹制导和空间通讯等，因此紫外探测器的响应时间至关重要[1]。ZnO 材料由于具有良好的稳定性、可见光区域透明、载流子迁移率高、含量丰富等优点，在新一代紫外探测器中具有很好的应用前景。但其也面临难以克服的难题，如ZnO 薄膜中施主缺陷导致器件的响应时间、响应度等参数难以满足需求。例如，2019 年，Xu 等人制备的ZnO 薄膜晶体管在365 nm 的光照下上升时间和下降时间分别为62.6 s，30.1 s，其持续光电导效应明显，下降时间缓慢[2]。因此，需要通过在ZnO 材料中掺杂合适的元素来提高ZnO 基薄膜材料质量，从而掌握高性能的紫外探测器制备技术。依据文献调研，Ga-O 键的键长非常接近Zn-O 键的键长。因此Ga 原子替位Zn 原子引起的晶格畸变较小[3]。同时，采用Ga 作为掺杂元素，可以抑制ZnO 薄膜中氧空位等本征缺陷来提升薄膜材料质量，进而提高器件的光电性能[4]。因此通过掺杂Ga 元素可以制备出高性能的GaZnO 紫外探测器。

本文采用射频磁控溅射沉积了GaZnO 薄膜，并且制备了以GaZnO 薄膜为光敏层的薄膜晶体管，讨论和总结了GaZnO 器件的光电性能以及在365nm 波长光照下的响应时间和响应度。实验结果表明，在可见光区域，GaZnO 薄膜的透过率达到了90%以上，在入射波长为365nm 的光照下其响应时间较快，达到了5.2s，响应度达到了18.75A/W。

1 实验方法

实验采用SiO2 为栅绝缘层的p-Si 为衬底，首先分别通过丙酮、乙醇和水对衬底进行超声波清洗，去除表面杂质，然后将清洗过的衬底放入磁控溅射设备中，利用磁控溅射的方式沉积GaZnO 薄膜。磁控设备的型号为Kurt J.Lesker公司的PVD75。靶材采用的是GaZnO 混合靶（97wt%ZnO，3wt% Ga2O3）。在磁控设备沉积薄膜之前，要先将腔室真空度抽至5×10-5 mTorr 以下，然后通入纯度为99.999%的Ar 气，将压强设定为20 mTorr，射频功率设定为50 W，对靶材进行启辉。启辉之后设置生长条件，其中，Ar：O2=90:10，溅射压强为8mTorr，射频功率为80 W，设置完成进行沉积，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EB420 型电子束蒸发设备在光刻处理之后的光敏层上方蒸镀50 nm 厚的Al 作为电极，最后用丙酮进行剥离，即制备完成薄膜晶体管。薄膜、器件的表征和测试使用了MFP-3D 型原子力显微镜、UV-2600型紫外可见分光光度计和Keysight B1500A 半导体参数测试仪。

2 结果与讨论

图1 是以GaZnO 为光敏层的薄膜晶体管结构示意图，器件是以p-Si 为衬底制备的底栅结构，绝缘层厚度为100 nm，光敏层厚度为35 nm。

图1 器件结构示意图

图2 是通过原子力显微镜对GaZnO 薄膜进行表征所得到的表面形貌图。

图2

根据AFM 扫描图像可以看出薄膜的表面形貌较为光滑均匀，薄膜表面平整；且根据扫描结果显示，GaZnO 薄膜的均方根粗糙度为0.624 nm，证明少量的Ga 掺杂弥补了薄膜的表面空隙,使得薄膜表面形貌变好,而在之前的报道,也有提到过光滑的薄膜表面形貌可以改善载流子的传输,从而使器得到更好的器件性能[5]。

如图3 分别为GaZnO 薄膜的透过率曲线和禁带宽度。

图3

根据图3(a)可以看到GaZnO 薄膜在365 nm 处具有陡峭的吸收边，并且在可见光 区域，GaZnO 薄膜的透过率达到了90% 以上。GaZnO 薄膜的禁带宽度可由Tauc 公式计算[6]:

式中:α 为吸收系数；hν 为入射光子的能量;C 为常数;Eg为光学禁带宽度;根据计算所得图3(b) GaZnO 薄膜的(αhν)2 和hν 图可以看出生长的GaZnO 薄膜的禁带宽度为3.22 eV。

如图4 为GaZnO 器件在黑暗和光照条件下的转移曲线以及器件响应度随VGS变化的曲线。

根据图4(a)可以看出，在VDS=20 V 的条件下，当器件接受波长为365 nm 的紫外光照射时，IDS相比器件工作在黑暗条件下增大，VGS=40 V 时，IDS 达到了7.03 μA；并且随着器件载流子浓度的增高，器件的阈值电压向左移动，这是因为GaZnO 薄膜经过紫外光照射吸收了光子，产生了光生载流子，从而产生了光电流，此时IDS由栅压和光照共同决定。光电流是由光子产生的，当具有足够能量的光子撞击光敏层时，价带的电子被激发到导带，产生了光生载流子，光生载流子被源漏电极收集，因此产生了光电流，这也是紫外探测的原理[7]。响应度是衡量紫外探测性能的重要参数。响应度R 的计算公式如下[8]：

图4

式中，Itotal为器件在光照条件下的总电流，Idark为器件的暗电流，P 为入射光功率，Iph为器件在光照条件下产生的光电流，ρ 为入射光功率密度，As是有效光电感应区域面积。根据图4(b)可以看到，器件的响应度随着VGS的增加逐渐增大，这是因为随着栅压的增大，有源层中会有更多的自由电子向绝缘层移动，在靠近绝缘层的有源层中形成电子积累层，累积的载流子会越来越多，IDS随之上升，器件产生的光电流也同样上升，所以响应度会随着栅压的增大而增强[9]。

如图5 是在不同栅压下器件在黑暗和365nm 光照条件下的输出曲线，以及器件响应度随源漏电压变化的曲线。

根据图5(a)(b)器件的输出曲线可以看出，IDS随着VDS增大不断增加，直到到达饱和电流，表现出了典型的n 沟道增强型场效应晶体管的输出特性。器件在接受365 nm 光照时，IDS相比在黑暗条件下增加。当VGS=5 V 时，IDS的增加不受VGS影响，器件接受365 nm 光照IDS随着VDS的增大，IDS从47.3 pA 增加到2.28 nA，增加了两个数量级左右；当VGS=40 V 时，IDS受栅压和光照的共同影响，IDS从2.64 μA增加到3.67 μA。根据图5(c)(d)可以看出器件的响应度随VDS的增加而不断增大，最后逐渐趋于稳定。这是因为随着VDS的增加，会加速光生载流子的分离以及载流子的输运，所以光电流随之增大，响应度增强。

图5

如图6 是器件在光照条件下多个光周期下的动态响应，测试器件在365 nm 光照条件下VDS为15 V，VGS为8 V 时的动态响应。测试的光照周期为80s，开启时间为40s，关闭时间为40s。

图6 器件在VDS 为 15V，VGS 为8V 时正栅极脉冲的动态响应（样品在 365nm 光照条件下）

根据图6 可以看出。器件在“开”和“关”循环光照下具有明显的光响应，电流迅速上升到nA 级别，且响应速度较快，其上升时间为5.2s，下降时间为6s。在关闭光照后，暗电流不能很快的恢复到初始状态。这主要归因于与带隙中氧空位相关的缺陷导致的持续光电导（PPC）现象[10]。PPC 会使半导体材料再没有光照的条件下，仍可以保持一段时间的导电性，这种现象虽然会使响应时间增加，但是整体来看动态响应曲线是比较稳定和连续的。

3 结论

本文采用了磁控溅射的方式在p-Si 衬底上沉积了GaZnO 薄膜，并且制备了以GaZnO 薄膜为光敏层的薄膜晶体管，研究了少量Ga 元素掺杂对GaZnO 薄膜性能的影响以及对器件的电学性能和光学性能的影响。通过AFM 对GaZnO 薄膜进行表征，薄膜表面比较光滑平整，颗粒排列紧密，且薄膜表面粗糙度较低（0.624 nm）。GaZnO 薄膜在365nm 处具有陡峭的吸收边，并且在可见光区域，GaZnO 薄膜的透过率达到了90%以上。器件开关比为4.74×105，在入射波长为365 nm 的光照下器件具有稳定连续的动态响应，且响应时间较快达到了5.2 s。响应度达到了18.75 A/W。不同栅压下，灵敏度在100～103之间。实验表明GaZnO 器件非常适合应用于紫外探测中。