研究人员采用MgO和In2O3共溅射制备了一种镁掺杂氧化铟(In2O3:Mg)紫外薄膜光电晶体管。本研究选用In2O3溅射功率值为40 ~ 60 W的3个样品,即样品A 40 W,样品B 50 W,样品C 60 W。结果表明,氧空位浓度明显指示铟的含量。实验结果表明,样品的响应率(即光照下光电流/输入功率之比)由0.0086提高到2.6 A/W。样品A、B和C的拒绝率分别为1.2×104、4.3×105和4.8×105。根据研究人员的结果,C样品是本研究中所研究的三种MgInO紫外光电晶体管中最好的。


相关论文以题为“Ultraviolet Photodetection Application in Magnesium Indium Oxide Thin Film Transistors via Co-Sputtering Deposition”发表在《Applied Sciences》上。


研究人员通过共溅射MgO和In2O3制备出薄膜光电晶体管!


研究背景


薄膜晶体管(TFTs)广泛应用于各种应用领域,如活性基有机发光二极管、活性基液晶和平板显示器。氧化物基tft具有迁移率合理、透明度高、加工温度低、非晶相、均匀性好等优点,适用于柔性衬底或大面积生产。氧化物基tft的电学和光学性质都可以通过掺杂方法来设计带隙,并且它们的截止波长可以很容易地通过与其他氧化物半导体的合金化来调节。氧化物半导体探测器具有3ev带隙宽、击穿场高、热稳定性好等优点,被广泛应用于紫外探测。因此,氧化物半导体是很有前途的光电晶体管材料。由于光电晶体管具有高灵敏度、低噪声、低成本和易于制造等优点,因此可以在一个器件中集成光探测和信号放大特性。因此,光电晶体管有各种潜在的应用,如光隔离器、光开关和具有电压转换能力的反向传感器电路。其中,紫外探测因其特殊的应用,如火焰探测、短程通信、紫外天文[6]等而显得尤为重要。然而,商业化的硅基紫外探测器由于窄带隙和昂贵的木质滤光片不适合检测而受到高漏电流的限制。Visible-(λ≤400 nm)和solar-(λ≤280 nm)盲光电晶体管按截止波长可分为3类,即UV-A (400 - 320 nm)、UV-B (320-280 nm)和UV-C (280 - 10 nm)。可见或太阳盲光电晶体管需要很宽的带隙。金属氧化物半导体是一种很有前途的UV光探测传感器材料。


研究器件制作


所制作的器件包括底栅、介质层、有源层和源/驱动(S/D)电极。本研究采用三种不同In2O3目标功率值的样品,即样品A、B、C分别为40、50、60 W。首先,用超声波清洗机用丙酮、甲醇和水对重掺杂p型硅进行清洗10分钟,以清除玻璃上的油脂和颗粒。该p++硅片作为底栅,用于生长300 nm厚度的SiO2介电层。在此基础上,利用MgO和In2O3作为靶材,采用交叉掩膜共溅射法沉积30 nm厚的MgInO薄膜。MgO目标功率固定在100w;样品A、B和C的氧化铟靶功率分别为40、50和60 W。在打开百叶窗前,对靶进行预溅射5分钟,以去除靶表面的杂质。严格控制溅射时间,保证薄膜厚度均匀,溅射功率精度保持±1 W。室温下氩气流量为3 sccm时,工作压力为0.8 Pa。样品在300°C氩气中退火1 h。最后,利用一个100 nm的源极和漏极,利用交叉掩模进行热蒸发。通道宽度为1000μm,长度为100μm。分别使用安捷伦B1500A和150 W氙气灯在黑暗区域测量光和电性能。研究人员采用掠入射角x射线衍射仪(GIAXRD) 分别评估晶体结构和确定氧空位浓度。


研究结果


图1a,b显示了样品A,B和C的GIAXRD光谱,以及MgIn 2 O 4相中(311)衍射线的放大图片。样品A和B表现出明显的非晶相和位于2θ= 32.5°处的不明显峰,与尖晶石MgIn 2 O 4(311)相对应。样品C中清晰的衍射峰表明其多晶结构,其信号可能归因于In2O3立方结构(JCPDS卡号76-0152),对应于<221>,<222>,<400>,< 441>,<440>,<611>和<622>;In 2 O 3立方结构(JCPDS卡号06-0416),对应于<521>; MgIn 2 O 4尖晶石结构(JCPDS卡号40-1402)对应于<541>。如图2所示,在V DS = 10 V且V GS = −30至20 V的范围内测量MgInO TFT的传输特性曲线。表1列出了三个样本的电性能,包括阈值电压,场效应迁移率,亚阈值摆幅和开/关比。


研究人员通过共溅射MgO和In2O3制备出薄膜光电晶体管!


图1. (a)三个样品的掠入射角X射线衍射(GIAXRD)光谱。(b)MgIn2O4相的(311)衍射线的放大图。


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图2. 样品(a)A,(b)B和(c)C的传递特性曲线的对数和线性标度。


表1. 在In2O3的不同目标功率值下,MgInO的电性能。


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s值从2.59 V/decade下降到1.81 V/decade,然后又增加到2.83 V/decade,这可能是由于晶界和其他缺陷作为散射和俘获位点的载体。由于样品c溅射功率大,门控性变差,门绝缘子容易损坏,样品的通/关比约为105。而当In2O3功率从70 W提高到70 W时,In2O3功率越大,电导率越高,但没有传递特性。还值得注意的是,每次测量都重复三次;偏差值小于1%,三组在同一变量上存在差异。


图3给出了0 ~ 10v不同栅极电压下的输出特性曲线。器件的漏极电流和关断电流随门电压的增大而增大,说明了n通道tft的工作模式。由于氧化铟溅射功率的增加,通道层的电导率增加。氧化铟的高溅射功率增加了薄膜中的载流子浓度。


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图3.(a) a, (b) b, (c) c在不同VGS值下测量的输出特性曲线。


结论


研究人员采用共溅射法制备了MgInO光电晶体管,研究了不同镁铟比下活性层的光电性能。MgInO tft器件的光电性能与铟含量之间的高度相关性决定了器件的性能。然而,在多晶薄膜中,由于氧化铟沉淀相的过度形成缺陷,会使薄膜的光电性能变差。结果表明,优化后的参数在C样品中得到验证,得到的响应率和uv -visible抑制率分别为2.6 a /W和4.8×105。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5128/htm



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