MgZnO薄膜晶體管在紫外探測(cè)中的特性研究

吳昀卓 高曉紅 秦大雙 曾一明 張耕嚴(yán) 岳廷峰 劉建文

摘要：室溫下通過磁控濺射的方式在熱氧4ESiO2的襯底上沉積MgZnO薄膜，研究Mg元素的少量摻雜對(duì)薄膜以及器件性能的影響，使用濕法刻蝕的方法制備了MSM結(jié)構(gòu)的器件。器件開關(guān)比3.66x10⁶，在入射波長為365nm、254nm的光照下響應(yīng)度分別達(dá)到了3.16A/W、7.74A/W.光暗電流比在10¹～10⁴之間。通過紫外光分度計(jì)測(cè)試出薄膜在可見光區(qū)域透過率達(dá)到90%以上，光學(xué)帶隙為3.28eV。

關(guān)鍵詞：MgZnO薄膜晶體管;MgZnO薄膜;MSM結(jié)構(gòu);響應(yīng)度;光暗電流比

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）06-0252-03

在光電探測(cè)器中，紫外線（U V）探測(cè)器在國內(nèi)和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如在空間通信、醫(yī)療衛(wèi)生、臭氧層監(jiān)測(cè)、火焰探測(cè)、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域。紫外線輻射被定義為波長在10到400 nm之間的光，可分為UVA、UVB和UVC幾個(gè)范圍，分別代表315-400nm、280-315nm和100-280nm的波長。目前紫外探測(cè)器應(yīng)用較多的半導(dǎo)體氧化物材料是ZnO，ZnO被認(rèn)為是紫外光電探測(cè)器最有前途的候選之一，因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的抗輻射、直接禁帶寬度（3.24eV）、透明度高、激子束縛能大、室溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較受歡迎的電光材料。眾所周知，通過適量的元素?fù)诫s，我們可以更好地提高電學(xué)和光學(xué)性能。本文中摻雜元素為Mg元素，主要原因如下：第一，基于綠色環(huán)保，低成本制備的理念考慮Mg元素是我們首選的摻雜材料之一。第二，兩者的離子半徑的微小差異（Zn²⁺0.06A;Mg²⁺0.57A）使得摻雜不會(huì)造成明顯的晶格畸變。第三，Mg元素的摻雜形成了Mgzn1-xO三元合金，抑制氧空位，提高了ZnO基薄膜晶體管的熱性能和電學(xué)性能，光學(xué)帶隙寬度可以通過Mg元素的摻雜來調(diào)節(jié)。能夠增強(qiáng)紫外光響應(yīng)。

本文采用射頻磁控濺射沉積了MgZnO薄膜，討論和總結(jié)了MgZnO器件的電學(xué)性能以及在不同波長光照下的光響應(yīng)度以及光暗電流比。

1實(shí)驗(yàn)

室溫下在以100nm熱氧化SiO2為柵介電層的p-Si襯底上，通過磁控濺射的方法沉積MgZnO薄膜。磁控設(shè)備使用的是Kurt J.Lesker公司的PVD75型號(hào)，將表面灰塵和有機(jī)物用丙酮、乙醇和水清洗完畢的硅片放人該設(shè)備中。靶材采用的是純度為99.99%的高純ZnO陶瓷靶以及純度為99.99%的高純MgO靶。磁控設(shè)備進(jìn)行濺射之前，需要將腔室真空度抽至5×10^-5mTorr以下，之后先通入純度為99.999%的Ar氣，將氣壓設(shè)定在20mTorr，將兩個(gè)靶材的射頻功率設(shè)定在50W，對(duì)兩個(gè)靶材進(jìn)行啟輝。之后設(shè)置Ar：O2為95%：5%，將濺射壓強(qiáng)設(shè)置成8mTorr，將ZnO靶射頻功率設(shè)置為100W，將MgO靶射頻功率設(shè)置為10W進(jìn)行沉積，沉積過程在室溫下進(jìn)行。沉積結(jié)束將片子取出進(jìn)行濕法光刻，最后用電子束蒸發(fā)設(shè)備對(duì)器件鍍50nm厚度的鋁電極。對(duì)制備的器件采用KeysightB1500A型號(hào)的半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試其電學(xué)性能;薄膜的透射和吸收光譜采用日本島津公司的UV-2600型號(hào)的紫外一可見分光光度計(jì)測(cè)試;采用英國牛津儀器集團(tuán)的原子力顯微鏡fAFM）對(duì)薄膜表面形貌進(jìn)行探測(cè);采用JEOL公司的JSM-7610 F型掃描電子顯微鏡fSEM）對(duì)薄膜表面形貌進(jìn)行研究。

2結(jié)果與討論

圖1（a）給出的是MSM型器件結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，器件是在p-Si襯底上制作的底柵結(jié)構(gòu)，柵絕緣層厚度為100nm，有源層厚度為40nm。MgZnO薄膜表面形貌也對(duì)探測(cè)器的性能有著重要的作用，因此我們對(duì)MgZnO薄膜進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）表征，如圖1（b）所示，放大倍數(shù)10K，薄膜的表面形貌比較均勻，顆粒排列緊密，通過能譜儀fEDs）測(cè)出Mg摻雜的原子質(zhì)量百分比為1.48%。由圖1（c）MgZnO薄膜的光學(xué)透射光譜可知，MgZnO薄膜出現(xiàn)陡峭的吸收邊，對(duì)365nm波長的光照有很好的吸收并且MgZnO薄膜在可見光區(qū)域透過率達(dá)到90%以上。由公式（1）對(duì)MgZnO薄膜進(jìn)行光學(xué)帶隙擬合，得到的數(shù)值相比于ZnO的直接帶隙寬度3.24eV，MgZnO薄膜的光學(xué)帶隙變寬，數(shù)值為3.28eV。這是因?yàn)镸gO的光學(xué)帶隙大于ZnO的光學(xué)帶隙，Mg的摻雜使得薄膜的光學(xué)帶隙變寬，如圖1（d）所示。

光子能量hV和吸收系數(shù)α存在如下關(guān)系：

式中，Eg為光學(xué)禁帶寬度，A為常數(shù)。用光子能量hV為橫坐標(biāo)，以（αhv）²為縱坐標(biāo)作圖，對(duì)薄膜進(jìn)行光學(xué)帶隙擬合。

如圖2（a）（c）所示，MgZnO器件對(duì)波長越短的光越敏感，這是因?yàn)楸∧ぶ杏泻芏嗳毕荩虼嗽诮麕е袝?huì)引入很多的缺陷能級(jí)，當(dāng)光子的能量大于能帶到缺陷能級(jí)的能量差時(shí)，就能引起光的吸收，產(chǎn)生光生載流子。當(dāng)波長越短，能夠產(chǎn)生吸收的缺陷數(shù)目越多，導(dǎo)致光照引起的I_DS的偏差越大。由圖2（a）可知當(dāng)V_GS=5V，V_DS=15V時(shí)，在365nm、254nm兩種不同波長的光照下的響應(yīng)度分別為2A/W、3.6A/W。光暗電流比越大，探測(cè)器對(duì)微弱信號(hào)越敏感。圖2（b）給出在不同柵壓下，器件的光電流和暗電流的比值約為10¹～10⁴。由圖2（c）可知當(dāng)V_GS=5V，V_DS=20V時(shí)，在365nm、254nm兩種不同波長的光照下的響應(yīng)度分別為3.16A/W、7.74A/W。圖2（d）給出在不同柵壓下，器件的光電流和暗電流的比值約為10¹～10³。

由圖3可知，漏電流I^DS隨著漏極電壓V^DS從OV到20V的增加而增大。表現(xiàn)出典型的n型溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性，在VDS的高值下達(dá)到飽和。可以看出與暗電流相比光照下的飽和電流大大增強(qiáng)。當(dāng)柵壓為5V時(shí)，V_GSTH，柵壓對(duì)于I_DS幾乎沒有影響。在365nm、254nm光照下，I_DS從0.19pA上升到120pA、470pA。在不同源漏電壓下，器件的光電流和暗電流的比值約為10³～10⁴。當(dāng)柵壓為35V，V_GSTH，I_DS受到柵壓和光照的共同影響。在365nm、254nm光照下，I_DS從31uA上升到160uA、350uA。在不同源漏電壓下，器件的光電流和暗電流的比值約為1～10。

3結(jié)論

本文采用的磁控共濺射的方法在p-Si襯底上沉積MgZnO薄膜，研究了少量Mg元素?fù)诫s對(duì)MgZnO薄膜性能的影響以及對(duì)器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能的影響。開關(guān)電流比達(dá)到3.66x10⁶，在入射波長為365nm、254nm的光照下響應(yīng)度分別達(dá)到了3.16A/W、7.74A/W。不同柵壓下，光暗電流比值在10¹～10⁴之間。薄膜表面比較均勻、光滑，顆粒排列緊密。平均可見光透過率達(dá)到90%以上，并且具有陡峭的吸收邊.光學(xué)帶隙3.28eV。結(jié)果表明可以通過摻雜改變ZnO的禁帶寬度，達(dá)到對(duì)不同波長紫外光探測(cè)的目的。說明MgZnO器件非常適合應(yīng)用于紫外探測(cè)中。