非晶氧化镓基TFT型深紫外光电探测器的制备与性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:allonwxg
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深紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后兴起的另一种光电探测技术,可应用于导弹制导/预警、光通信、燃烧工程、环境污染监测和生物医药分析等领域。光电探测器构型多样,其中TFT型探测器具有集成度高、栅压可调控、功耗低、探测灵敏度高、易与外电路实现在板集成等优点,应用前景广阔。氧化镓带隙高达4.9 eV,是一种非常理想的深紫外探测材料。相比单晶或多晶材料,非晶薄膜可低温、大面积均匀制备,具有低制造成本、易柔性化等巨大优势。然而,非晶氧化镓的载流子浓度、迁移率通常过低,难以满足TFT沟道材料要求。本工作采用溶液旋涂法制备了非晶氧化镓基薄膜,并利用合金化手段实现了其载流子输运性能的有效调控,以及非晶氧化镓基TFT型深紫外光电探测器的构筑。具体工作如下:首先,研究了合金元素种类(如In、Zn和Cd)对非晶氧化镓基薄膜的形貌、结构、光学性能以及相应TFTs的电学、光电性能的影响规律。相同比例下,Ga2O3:ZnO的带隙最宽。在此基础上,探究了不同Zn 比例对Ga2O3:ZnO薄膜的性质,以及TFT器件的转移特性、光谱与时间响应特性的影响。当Czn=20%时,器件展现出最优的深紫外探测性能,其响应度为25.78 A/W,紫外可见抑制比为1.22×104,日盲紫外抑制比为2.42×102。然而,Ga2O3:ZnO晶体管的开启电压(41.4~30.6V)过高,器件功耗过高,有待进一步优化。其次,制备了不同CCd的Ga2O3:CdO薄膜及其TFT器件,并探讨了其光电性能。当CCd=0~40%时,Ga2O3:CdO光学带隙在3.29~4.83 eV内可调。当CCd由5%增加到20%时,饱和迁移率从0.00385 cm2V-1s-1增加到0.1395 cm2V-1s-1,Vth和Von分别由 16.5 V、12.6 V 左移到 5.9 V、-1.6 V,Ion/Ioff从 1.32×104 增加到3.82×105。Ga2O3:CdO-TFT(15%)深紫外探测器的功耗可降至pW量级,其响应度为2.17 A/W,紫外可见抑制比为1.88×104,该探测器综合性能与文献报道的真空法氧化镓探测器性能可比,且明显优于溶液法器件性能。最后,将MSM结构与TFT结构探测器的关键性能进行了比较。结果表明,TFT结构能有效放大光电流同时降低暗电流,实现高性能低功耗探测。
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