室温生长ZnO薄膜晶体管的紫外响应特性*

吴萍 张杰 李喜峰 陈凌翔 汪雷 吕建国†

1)(浙江大学材料科学与工程学系，硅材料国家重点实验室，杭州 310027)

2)(上海大学，新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，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

紫外光电探测器由于其在经济和军事领域的潜在应用而备受关注[1-3].以往紫外光电探测器主要采用Si基二极管制备，但是Si基探测器响应速度较慢，因此选取新材料取代Si制备高效固态紫外探测器成为一项重要研究课题.目前研究主要集中在一些直接带隙宽禁带半导体材料如GaN[4-7]，ZnSe[8,9]，ZnO[10-20]上.

在所有的宽禁带半导体材料中，ZnO由于在室温下具有较大的禁带宽度(3.37 eV)，且ZnO在室温条件就能沉积结晶质量好的薄膜，这些有利条件都为制备高效固态紫外探测器提供了可能.此外，ZnO紫外光电器件具有较多的结构，如光电二极管，肖特基二极管和p-n结二极管[10,12-20]，为其实际应用提供了方便.近年来，Bae等[13]研究了SiO2/Si衬底上的ZnO薄膜晶体管(TFTs)的光电探测性能，其结果验证了以ZnO-TFTs作为紫外探测器的可能，对于实际应用具有重大意义.虽然大量的研究表明室温下可制备出高性能的ZnO-TFTs，但是关于ZnO-TFTs紫外光响应特性的研究仍非常有限.

本文研究了室温下制备的底栅共平面型结构透明ZnO-TFTs的紫外光响应特性，以期能更好地了解紫外光照对ZnO-TFTs的影响，以便于其实际运用.

2 实验

我们制备了底栅共面型ZnO-TFTs，这种器件结构在我们之前的工作中有过报道[21].图1为ZnO-TFTs器件的实物图(俯视).试验采用普通玻璃作为衬底，通过磁控溅射沉积一层150 nm金属Cr作为底栅极，接着150 nm的SiNx栅极绝缘层采用等离子体增强化学汽相沉积方法沉积，然后溅射一层100 nm ITO或金属Cr作为源漏电极，所有电极图形都是通过光刻和湿化学刻蚀方法获得，TFT器件沟道的宽度和长度分别为100和100µm.100 nm的ZnO沟道层通过掩膜采用射频(13.56 MHz)磁控溅射在室温下沉积，靶材为高纯ZnO陶瓷靶(99.99%)，靶材和衬底的距离为6 cm，溅射功率为5.1 W/cm2，溅射在纯Ar的气氛中进行，溅射压强为1 Pa，溅射完毕衬底温度升高5°C—7°C.

ZnO薄膜的晶体结构和形貌特性采用X射线衍射 (XRD，D/max-RA型)，原子力显微镜(AFM，SPI3800N)和场发射扫描电子显微镜(Hi-tachi S4800型)进行测试.采用分光光度计(Shimadzu UV-vis 3600型)测量薄膜的透射率和半导体参数分析仪(Agilent E5270B型)测量ZnO-TFTs的性能.紫外光照采用单色254 nm光源，其能量密度与光照射距离的关系由Si紫外光探测器测量.

图1 ZnO薄膜晶体管实物图及其沟道处的放大光学显微图片

3 结果与讨论

3.1 ZnO薄膜的特性

室温下沉积ZnO薄膜的XRD结果如图2所示，其中插图为该薄膜的原子力显微AFM形貌.从图中可以看出34.2°处具有明显的峰值，这与ZnO的(002)晶面峰位相同，表明了所沉积ZnO薄膜具有c轴择优取向，图中23°附近的较弱的峰为玻璃衬底的信号峰.AFM结果显示薄膜的晶粒尺寸和平均晶粒粗糙度分别为16和1.5 nm.扫描电镜图谱(该图未在文中给出)观察到的ZnO薄膜的微观形貌与AFM所得结果基本一致.从以上结果可知，ZnO薄膜由六角密排的晶粒有序在衬底上排列而成，并没有明显的空洞和缺陷存在.

图3为ZnO薄膜的紫外可见光透射率图谱.ZnO薄膜在可见光范围内的平均透射率超过85%.根据Tauc方程，以(ahv)2对hv做图(如图3中插图)可得薄膜的光学禁带宽度为3.25 eV.此外，由图可知ZnO薄膜在波长为365 nm时仍有34%的透射率，表明此时紫外光并没有完全被薄膜吸收，可能是由于薄膜较薄(100 nm)的原因.

图2 玻璃衬底及其衬底上室温生长ZnO薄膜的XRD图谱，插图为ZnO薄膜的AFM图谱

图3 ZnO薄膜在300—2500 nm波长内的透射谱图，插图为(ahv)2-hv曲线，且从插图中红线的截距可得薄膜的光学禁带宽度为3.25 eV

3.2 ZnO-TFTs的紫外光响应

图4为ZnO-TFTs在没有光照射和254 nm(能量密度为8µW/cm2)紫外光照射下的输出特性曲线(IDS-VDS).在栅极电压为40 V，没有光照的条件下，ZnO-TFTs的输出特性曲线有明显的夹断点和电流饱和特性，且此时的饱和电流为1.3µA.而在254 nm紫外光照射下饱和电流增加到7µA，为前者的6倍，此饱和电流的增加是由于紫外光照射下在ZnO沟道层中引入载流子(电子和空穴)所致.此外，在紫外光照下，ZnO-TFTs器件的电流的饱和特性有明显的改变，其输出特性曲线与没有光照条件下不太一样，没有完整的电流饱和区.

图4 (a)无光照和(b)在254 nm紫外光照下的ZnO薄膜晶体管的输出特性曲线

图5 无光照和紫外光照条件下VDS为5 V时ZnO薄膜晶体管的转移特性曲线

图5为在漏极电压为5 V时测得的ZnO-TFTs器件的转移特性曲线(IDS-VGS)，通过该曲线可进一步研究ZnO-TFTs器件的紫外光响应特性.无光照射时的ZnO-TFTs的电子迁移率为0.3 cm2/V·s-1，开关比为103.而紫外光照射下，ZnO-TFTs的关态电流明显增强，且电流值比无光照时增加了近3个数量级，这是由于高能量的紫外光能有效激发ZnO沟道层中载流子的产生.与关态电流不同的是，紫外光照对开态电流仅有较小的影响，这是由于开态时栅电压诱导产生的载流子浓度远大于光生载流子浓度.

图6为ZnO-TFTs器件在光照之前以及移除紫外光在黑暗条件下保存7天后的输出特性曲线(IDS-VDS).相较于光照前，器件经光照后放置7天，在零栅压下仍然具有较大的源漏电流(IDS)，该结果表明ZnO沟道层电阻率减小了.在紫外光移除7天后，器件的关态电流仍然不能回复到原始状态，说明器件中残留了一部分电导，且该残余电导对开态电流亦有一定影响，因为光照后器件在相同的栅压下具有更大的IDS.这种光照后的残余电导可能与ZnO沟道层中的氧空位施主缺陷的形成有关.

图6 ZnO薄膜晶体管在光照前及移除254 nm紫外光在黑暗条件下保存7天后的输出特性曲线

理论研究表明，未掺杂的ZnO中存在大量的氧空位缺陷[22].在ZnO中，中性的氧空位会在价带顶附近形成大量的深能级态，紫外光照能激发这些中性氧空位产生带有电荷的氧空位而在紫外光照射下，由于其光子能量大于ZnO的禁带宽度，ZnO沟道层中的电子从价带(VB)激发进入导带(CB)，并在价带中形成自由空穴.因此，紫外光照后器件的关态电流增加了几个数量级.而对于开态电流却只有较小的增加，其原因在于栅电压诱导的载流子浓度远大于光生载流子.此外，我们还观察到，关态电流即使是移除紫外光在黑暗条件下保存7天后仍不能回复到原始状态.这种残余电导可能是光照时在ZnO沟道层中形成了一些稳定的氧空位缺陷造成的.从另一方面来说，残余电导对开态电流几乎没有影响，这是由于开态电流本身比残余电导引入的电流大几个数量级的原因.

4 结论

我们在室温下制备了底栅共平面结构的ZnOTFTs，器件未经过任何后续热处理.研究表明，ZnOTFTs具有明显的紫外光响应特性，紫外光照使器件输出特性曲线的饱和电流增加了数倍，同时也使转移特性的关态电流提高了3个数量级.由于开态时栅电压诱导产生的载流子浓度远大于光生载流子浓度，紫外光照对开态电流影响较小，所以没有光照和紫外光照下器件开关态电流比相差极大.这些明显的变化对高灵敏紫外探测都是十分有利的.但是室温制备ZnO-TFTs用于紫外探测也存在一些不足，因为紫外光照可以激活薄膜中的氧空位施主缺陷，从而导致ZnO沟道层的残余电导.

[1］Sandvik P，Mi K，Shahedipour F，McClintock R，Yasan A，Kung P，Razeghi M 2001J.Cryst.Growth231 366

[2］Tut T，Yelboga T，Ulker E，Ozbay E 2008Appl.Phys.Lett.92 103502

[3］Liao M Y，Koide Y，Alvarez J 2007Appl.Phys.Lett.90 123507

[4］Chiou Y Z 2005J.Electrochem.Soc.152 G639

[5］Zhou Y，Ahyi C，Tin C C，Williams J，Park M，Kim D J，Cheng A J，Wang D，Hanser A，Preble E A，Williams N M，Evans K 2007Appl.Phys.Lett.90 121118

[6］Zhao D G，Zhou M，Zuo S H 2007Acta Phys.Sin.56 5517(in Chinese)[赵德刚，周梅，左淑华，2007物理学报56 5517］

[7］Zhou M，Zhao D G 2009Acta Phys.Sin.58 7260(in Chinese)[周梅，赵德刚2009物理学报58 7260］

[8］Lin T K，Chang S J，Su Y K，Chiou Y Z，Wang C K，Chang C M，Huang B R 2005IEEE T.Electron.Dev.52 121

[9］Chang S J，Lin T K，Su Y K，Chiou Y Z，Wang C K，Chang S P，Chang C M，Tang J J，Huang B R 2006Mat.Sci.Eng.BSolid.127 164

[10］Song Z M，Zhao D X，Guo Z，Li B H，Zhang Z Z，Shen D Z 2012Acta Phys.Sin.61 052901(in Chinese)[宋志明，赵东旭，郭振，李炳辉，张振中，申德振2012物理学报61 052901］

[11］Yuan Z，Gao H，Xu L L，Chen T T，Lang Y 2012Acta Phys.Sin.61 057201(in Chinese)[袁泽，高红，徐玲玲，陈婷婷，郎颖2012物理学报61 057201］

[12］Young S J，Ji L W，Chang S J，Du X L 2007J.Electrochem.Soc.154 H26

[13］Bae H S，Choi C M，Kim J H，Im S 2005J.Appl.Phys.97 076104

[14］Liu Y，Gorla C R，Liang S，Emanetoglu N，Lu Y，Shen H，Wraback M 2000J.Electron.Mater.29 69

[15］Liang S，Sheng H，Liu Y，Huo Z，Lu Y，Shen H 2001J.Cryst.Growth225 110

[16］Jin Y Z，Wang J P，Sun B Q，Blakesley J C，Greenham N C 2008Nano Lett.8 1649

[17］JandowNN，IbrahimK，YamFK，AbuHassanH，ThahabSM，Hamad O S 2010Optoelectron Adv.Mat.4 726

[18］Ohta H，Hirano M，Nakahara K，Maruta H，Tanabe T，Kamiya M，Kamiya T，Hosono H 2003Appl.Phys.Lett.83 1029

[19］Moon T H，Jeong M C，Lee W，Myoung J M 2005Appl.Surf.Sci.240 280

[20］Mandalapu L J，Yang Z，Xiu F X，Zhao D T，Liu J L 2006Appl.Phys.Lett.88 092103

[21］Zhang J，Li X F，Lu J G，Ye Z Z，Gong L，Wu P，Huang J，Zhang Y Z，Chen L X，Zhao B H 2011J.Appl.Phys.110 084509

[22］Bae H S，Yoon M H，Kim J H，Im S 2003Appl.Phys.Lett.83 5313

[23］Lany S，Zunger A 2007Phys.Rev.Lett.98 045501

[24］Janotti A，van de Walle C G 2005Appl.Phys.Lett.87 122102