紫外探测用氧化铟镁(MIO)薄膜晶体管研究

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近年来,金属氧化物半导体由于其高迁移率,高透过率(宽禁带),低温工艺等优点而受到巨大关注。由于氧化物半导体的吸收边正好位于紫外线波段,是一种理想的宽禁带紫外光电探测器的材料。与传统的金属—半导体—金属(MSM)结构的传感器相比,薄膜晶体管(TFT)传感器具有更小的噪声电流以及高动态工作范围。目前已广泛研究的氧化锌镁薄膜晶体管(MgZnO TFT)由于迁移率较低不能应用于实际,必须开发新的高性能的氧化物紫外探测器材料。本文主要研究了新型掺镁氧化铟(MIO)薄膜和其TFT的性能,主要内容包括:  首先研究了不同工艺条件下磁控溅射制备的MIO薄膜的结构与性能。通过XRD以及SEM测试发现,室温下制备的MIO薄膜呈现纳晶结构,即使在300℃高温下退火仍没有发生明显的结晶。同时测量了薄膜的光电特性,结果显示:随着溅射功率的增加,薄膜的载流子浓度和霍尔迁移率逐渐变小;随着氧分压的增加,薄膜的载流子浓度迅速减小;随着Mg含量的增加,薄膜的禁带宽度变大,载流子浓度和迁移率降低。  接着在玻璃衬底上设计并制备了底栅交错型的MIO TFT器件,并研究了退火温度、氩氧比、Mg含量等条件对器件电学特性的影响。实验结果显示:当退火温度为200℃时,器件具有最好的电学性能;器件的电流和饱和迁移率都随着氧分压的增加而减小,阈值电压随之增大;随着Mg含量的增加,沟道中载流子浓度减小,载流子迁移率变小,同时阈值电压变大。采用7%wt.MgO掺杂的MIO制备的TFT,其阈值电压为0.19 V,饱和迁移率为5.47 cm2V-1s-1,亚阈值斜率约为0.54Vdec-1,VD=10V时的开关比约为108,性能优于目前已报道的MZO TFT。  最后研究了氧分压以及Mg含量对MIO TFT器件紫外探测性能的影响。结果表明: MIO TFT对可见光几乎不响应,随着氧分压的增加,对紫外光的响应度降低;Mg含量的增加,会导致TFT的载流子迁移率降低,对紫外光的响应度也会降低,但同时能获得更好的日盲特性。在实际应用中要根据需求来确定Mg含量以权衡TFT的电学特性和光电特性。
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