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吴昀卓高晓红秦大双曾一明张耕严岳廷峰刘建文
Summary: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。,在入射波长为365nm、、~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,。
Key:MgZnO薄膜晶体管;MgZnO薄膜;MSM结构;响应度;光暗电流比
:G642:A
:1009-3044(2020)06-0252-03
在光电探测器中,紫外线(UV)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400nm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()、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+;Mg2+)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。,将表面灰尘和有机物用***、乙醇和水清洗完毕的硅片放人该设备中。%%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,%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-7610F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)%。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,,MgZnO薄膜的光学带隙变宽,。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IDS的偏差越大。由图2(a)可知当VGS=5V,VDS=15V时,在365nm、254nm两种不同波长的光照下的响应度分别为2A/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VGS=5V,VDS=20V时,在365nm、、。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IDS随着漏极电压VDS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,VGSTH,栅压对于IDS几乎没有影响。在365nm、254nm光照下,、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,VGSTH,IDS受到栅压和光照的共同影响。在365nm、254nm光照下,IDS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。,在入射波长为365nm、、。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,。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。
电脑知识与技术2020年6期
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