MgZnO薄膜晶体管在紫外探测中的特性研究

吴昀卓 高晓红 秦大双 曾一明 张耕严 岳廷峰 刘建文

摘要：室温下通过磁控溅射的方式在热氧4ESiO2的衬底上沉积MgZnO薄膜，研究Mg元素的少量掺杂对薄膜以及器件性能的影响，使用湿法刻蚀的方法制备了MSM结构的器件。器件开关比3.66x10⁶，在入射波长为365nm、254nm的光照下响应度分别达到了3.16A/W、7.74A/W.光暗电流比在10¹～10⁴之间。通过紫外光分度计测试出薄膜在可见光区域透过率达到90%以上，光学带隙为3.28eV。

关键词：MgZnO薄膜晶体管;MgZnO薄膜;MSM结构;响应度;光暗电流比

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）06-0252-03

在光电探测器中，紫外线（U V）探测器在国内和工业领域有着广泛的应用，如在空间通信、医疗卫生、臭氧层监测、火焰探测、导弹制导等领域。紫外线辐射被定义为波长在10到400 nm之间的光，可分为UVA、UVB和UVC几个范围，分别代表315-400nm、280-315nm和100-280nm的波长。目前紫外探测器应用较多的半导体氧化物材料是ZnO，ZnO被认为是紫外光电探测器最有前途的候选之一，因为它具有较强的抗辐射、直接禁带宽度（3.24eV）、透明度高、激子束缚能大、室温稳定性好等优点，是一种比较受欢迎的电光材料。众所周知，通过适量的元素掺杂，我们可以更好地提高电学和光学性能。本文中掺杂元素为Mg元素，主要原因如下：第一，基于绿色环保，低成本制备的理念考虑Mg元素是我们首选的掺杂材料之一。第二，两者的离子半径的微小差异（Zn²⁺0.06A;Mg²⁺0.57A）使得掺杂不会造成明显的晶格畸变。第三，Mg元素的掺杂形成了Mgzn1-xO三元合金，抑制氧空位，提高了ZnO基薄膜晶体管的热性能和电学性能，光学带隙宽度可以通过Mg元素的掺杂来调节。能够增强紫外光响应。

本文采用射频磁控溅射沉积了MgZnO薄膜，讨论和总结了MgZnO器件的电学性能以及在不同波长光照下的光响应度以及光暗电流比。

1实验

室温下在以100nm热氧化SiO2为栅介电层的p-Si衬底上，通过磁控溅射的方法沉积MgZnO薄膜。磁控设备使用的是Kurt J.Lesker公司的PVD75型号，将表面灰尘和有机物用丙酮、乙醇和水清洗完毕的硅片放人该设备中。靶材采用的是纯度为99.99%的高纯ZnO陶瓷靶以及纯度为99.99%的高纯MgO靶。磁控设备进行溅射之前，需要将腔室真空度抽至5×10^-5mTorr以下，之后先通入纯度为99.999%的Ar气，将气压设定在20mTorr，将两个靶材的射频功率设定在50W，对两个靶材进行启辉。之后设置Ar：O2为95%：5%，将溅射压强设置成8mTorr，将ZnO靶射频功率设置为100W，将MgO靶射频功率设置为10W进行沉积，沉积过程在室温下进行。沉积结束将片子取出进行湿法光刻，最后用电子束蒸发设备对器件镀50nm厚度的铝电极。对制备的器件采用KeysightB1500A型号的半导体参数仪测试其电学性能;薄膜的透射和吸收光谱采用日本岛津公司的UV-2600型号的紫外一可见分光光度计测试;采用英国牛津仪器集团的原子力显微镜fAFM）对薄膜表面形貌进行探测;采用JEOL公司的JSM-7610 F型扫描电子显微镜fSEM）对薄膜表面形貌进行研究。

2结果与讨论

图1（a）给出的是MSM型器件结构示意图。由图可知，器件是在p-Si衬底上制作的底栅结构，栅绝缘层厚度为100nm，有源层厚度为40nm。MgZnO薄膜表面形貌也对探测器的性能有着重要的作用，因此我们对MgZnO薄膜进行了扫描电子显微镜（SEM）表征，如图1（b）所示，放大倍数10K，薄膜的表面形貌比较均匀，颗粒排列紧密，通过能谱仪fEDs）测出Mg掺杂的原子质量百分比为1.48%。由图1（c）MgZnO薄膜的光学透射光谱可知，MgZnO薄膜出现陡峭的吸收边，对365nm波长的光照有很好的吸收并且MgZnO薄膜在可见光区域透过率达到90%以上。由公式（1）对MgZnO薄膜进行光学带隙拟合，得到的数值相比于ZnO的直接带隙宽度3.24eV，MgZnO薄膜的光学带隙变宽，数值为3.28eV。這是因为MgO的光学带隙大于ZnO的光学带隙，Mg的掺杂使得薄膜的光学带隙变宽，如图1（d）所示。

光子能量hV和吸收系数α存在如下关系：

式中，Eg为光学禁带宽度，A为常数。用光子能量hV为横坐标，以（αhv）²为纵坐标作图，对薄膜进行光学带隙拟合。

如图2（a）（c）所示，MgZnO器件对波长越短的光越敏感，这是因为薄膜中有很多缺陷，因此在禁带中会引入很多的缺陷能级，当光子的能量大于能带到缺陷能级的能量差时，就能引起光的吸收，产生光生载流子。当波长越短，能够产生吸收的缺陷数目越多，导致光照引起的I_DS的偏差越大。由图2（a）可知当V_GS=5V，V_DS=15V时，在365nm、254nm两种不同波长的光照下的响应度分别为2A/W、3.6A/W。光暗电流比越大，探测器对微弱信号越敏感。图2（b）给出在不同栅压下，器件的光电流和暗电流的比值约为10¹～10⁴。由图2（c）可知当V_GS=5V，V_DS=20V时，在365nm、254nm两种不同波长的光照下的响应度分别为3.16A/W、7.74A/W。图2（d）给出在不同栅压下，器件的光电流和暗电流的比值约为10¹～10³。

由图3可知，漏电流I^DS随着漏极电压V^DS从OV到20V的增加而增大。表现出典型的n型沟道场效应晶体管输出特性，在VDS的高值下达到饱和。可以看出与暗电流相比光照下的饱和电流大大增强。当栅压为5V时，V_GSTH，栅压对于I_DS几乎没有影响。在365nm、254nm光照下，I_DS从0.19pA上升到120pA、470pA。在不同源漏电压下，器件的光电流和暗电流的比值约为10³～10⁴。当栅压为35V，V_GSTH，I_DS受到栅压和光照的共同影响。在365nm、254nm光照下，I_DS从31uA上升到160uA、350uA。在不同源漏电压下，器件的光电流和暗电流的比值约为1～10。

3结论

本文采用的磁控共溅射的方法在p-Si衬底上沉积MgZnO薄膜，研究了少量Mg元素掺杂对MgZnO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。开关电流比达到3.66x10⁶，在入射波长为365nm、254nm的光照下响应度分别达到了3.16A/W、7.74A/W。不同栅压下，光暗电流比值在10¹～10⁴之间。薄膜表面比较均匀、光滑，颗粒排列紧密。平均可见光透过率达到90%以上，并且具有陡峭的吸收边.光学带隙3.28eV。结果表明可以通过掺杂改变ZnO的禁带宽度，达到对不同波长紫外光探测的目的。说明MgZnO器件非常适合应用于紫外探测中。