SnGaO薄膜晶体管的制备及光电特性研究

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非晶氧化物半导体(AOS)材料以其高载流子迁移率、宽光学带隙和低温处理工艺等独特优势,作为薄膜晶体管(TFTs)的沟道层材料受到了广泛关注。性能优异的AOS一般基于In2O3材料,但In元素资源短缺且具有毒性。Sn O2材料资源相对丰富,且由于Sn4+的[Kr]4d105s~0与In3+相似,有利于电子输运,同样可以获得较高的载流子迁移率。本论文以溶液法Sn Ga O TFTs为研究对象,通过改变掺杂比例、退火、等离子体处理等工艺改善其性能。通过探究Sn Ga O TFTs在光照条件下电学特性的改变,探究其在光电探测器方面的应用。具体内容如下:(1)采用溶液法制备Sn Ga O TFTs器件,探究掺Ga浓度、退火温度等对薄膜特性和器件电学性能的影响,并探究了其在光照下的稳定性。研究发现,掺杂和退火处理可以提高TFTs器件的电学性能,最佳的掺杂浓度和退火温度分别为20at.%和350℃。当使用红绿蓝紫激光照射最佳器件时,阈值电压向左漂移,亚阈值摆幅变差;而激光照射停止后,Sn Ga O TFTs转移特性曲线随恢复时间向右漂移,阈值电压逐渐恢复至初始值,表明光照能够导致载流子的产生和复合,进而对器件稳定性产生显著变化。(2)运用Ar/O2等离子体处理Sn Ga O TFTs器件,研究不同等离子体处理对TFTs器件电学性能的影响。实验结果表明,TFTs器件的电流调制能力可通过等离子体处理来进行调节。适当的Ar等离子体处理有助于提高场效应迁移率与开态电流,这主要归因于氧空位浓度的增加;适当的O2等离子体处理能够降低载流子浓度,使阈值电压正向漂移,关态电流下降,这主要源于氧原子对氧空位的有效补充。但当Ar/O2等离子体处理时间过长时,输出特性曲线均出现“驼峰”现象,这可能是由于过多深能级缺陷态产生导致。(3)使用红绿蓝紫激光照射Sn Ga O TFTs器件,研究Sn Ga O TFTs在可见光波段的光电响应特性。实验发现,Sn Ga O TFTs器件紫光探测性能最明显,其中光响应度为0.0175 A/W,外量子效率为534.25%,归一化探测度为6.63×1010 Jone,电流开关比为5.18×10~4。当Ar等离子体处理时,Sn Ga O TFTs器件的电学性能得到改善,此时器件的饱和迁移率为1.12 cm~2V-1s-1,阈值电压为-0.2 V,亚阈值摆幅为0.72 V/dec,电流开关比为1.09×10~6。处理后器件同样对紫光响应最高,相应的光响应度为0.0141 A/W,外量子效率为433.31%,归一化探测度为9.91×1010Jone,电流开关比为1.43×10~5。
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