室溫生長ZnO薄膜晶體管的紫外響應特性*

吳萍 張杰 李喜峰 陳凌翔 汪雷 呂建國?

1)(浙江大學材料科學與工程學系，硅材料國家重點實驗室，杭州 310027)

2)(上海大學，新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室，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濟和軍事領域的潛在應用而備受關注[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基探測器響應速度較慢，因此選取新材料取代Si制備高效固態紫外探測器成為一項重要研究課題.目前研究主要集中在一些直接帶隙寬禁帶半導體材料如GaN[4-7]，ZnSe[8,9]，ZnO[10-20]上.

在所有的寬禁帶半導體材料中，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晶質量好的薄膜，這些有利條件都為制備高效固態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構，如光電二極管，肖特基二極管和p-n結二極管[10,12-20]，為其實際應用提供了方便.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，其結果驗證了以ZnO-TFTs作為紫外探測器的可能，對于實際應用具有重大意義.雖然大量的研究表明室溫下可制備出高性能的ZnO-TFTs，但是關于ZnO-TFTs紫外光響應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構透明ZnO-TFTs的紫外光響應特性，以期能更好地了解紫外光照對ZnO-TFTs的影響，以便于其實際運用.

2 實驗

我們制備了底柵共面型ZnO-TFTs，這種器件結構在我們之前的工作中有過報道[21].圖1為ZnO-TFTs器件的實物圖(俯視).試驗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化學汽相沉積方法沉積，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的氣氛中進行，濺射壓強為1 Pa，濺射完畢襯底溫度升高5°C—7°C.

ZnO薄膜的晶體結構和形貌特性采用X射線衍射 (XRD，D/max-RA型)，原子力顯微鏡(AFM，SPI3800N)和場發射掃描電子顯微鏡(Hi-tachi S4800型)進行測試.采用分光光度計(Shimadzu UV-vis 3600型)測量薄膜的透射率和半導體參數分析儀(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系由Si紫外光探測器測量.

圖1 ZnO薄膜晶體管實物圖及其溝道處的放大光學顯微圖片

3 結果與討論

3.1 ZnO薄膜的特性

室溫下沉積ZnO薄膜的XRD結果如圖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軸擇優取向，圖中23°附近的較弱的峰為玻璃襯底的信號峰.AFM結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所得結果基本一致.從以上結果可知，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的平均透射率超過85%.根據Tauc方程，以(ahv)2對hv做圖(如圖3中插圖)可得薄膜的光學禁帶寬度為3.25 eV.此外，由圖可知ZnO薄膜在波長為365 nm時仍有34%的透射率，表明此時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禁帶寬度為3.25 eV

3.2 ZnO-TFTs的紫外光響應

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和電流飽和特性，且此時的飽和電流為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.

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ZnO薄膜晶體管的轉移特性曲線

圖5為在漏極電壓為5 V時測得的ZnO-TFTs器件的轉移特性曲線(IDS-VGS)，通過該曲線可進一步研究ZnO-TFTs器件的紫外光響應特性.無光照射時的ZnO-TFTs的電子遷移率為0.3 cm2/V·s-1，開關比為103.而紫外光照射下，ZnO-TFTs的關態電流明顯增強，且電流值比無光照時增加了近3個數量級，這是由于高能量的紫外光能有效激發ZnO溝道層中載流子的產生.與關態電流不同的是，紫外光照對開態電流僅有較小的影響，這是由于開態時柵電壓誘導產生的載流子濃度遠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，器件的關態電流仍然不能回復到原始狀態，說明器件中殘留了一部分電導，且該殘余電導對開態電流亦有一定影響，因為光照后器件在相同的柵壓下具有更大的IDS.這種光照后的殘余電導可能與ZnO溝道層中的氧空位施主缺陷的形成有關.

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，中性的氧空位會在價帶頂附近形成大量的深能級態，紫外光照能激發這些中性氧空位產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帶(VB)激發進入導帶(CB)，并在價帶中形成自由空穴.因此，紫外光照后器件的關態電流增加了幾個數量級.而對于開態電流卻只有較小的增加，其原因在于柵電壓誘導的載流子濃度遠大于光生載流子.此外，我們還觀察到，關態電流即使是移除紫外光在黑暗條件下保存7天后仍不能回復到原始狀態.這種殘余電導可能是光照時在ZnO溝道層中形成了一些穩定的氧空位缺陷造成的.從另一方面來說，殘余電導對開態電流幾乎沒有影響，這是由于開態電流本身比殘余電導引入的電流大幾個數量級的原因.

4 結論

我們在室溫下制備了底柵共平面結構的ZnOTFTs，器件未經過任何后續熱處理.研究表明，ZnOTFTs具有明顯的紫外光響應特性，紫外光照使器件輸出特性曲線的飽和電流增加了數倍，同時也使轉移特性的關態電流提高了3個數量級.由于開態時柵電壓誘導產生的載流子濃度遠大于光生載流子濃度，紫外光照對開態電流影響較小，所以沒有光照和紫外光照下器件開關態電流比相差極大.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，因為紫外光照可以激活薄膜中的氧空位施主缺陷，從而導致ZnO溝道層的殘余電導.

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