具氧化鋅鋁奈米晶粒電荷捕捉層薄膜電晶體之電荷捕捉釋放行為及其光感測性質研究

Translated title of the thesis: Investigation of charge trapping/de-trapping behavior and photosensing characteristics in thin film transistors with AZO nanoparticle charge trapping layer
  • 蕭 仰軒

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

本實驗以三種不同疊層結構之電荷捕捉式薄膜電晶體(charge trapping thin film transistor)試片探討元件內部電荷捕捉位置與其照光感測性質的關係。試片種類分別為:(1)電荷捕捉層位於元件介電層內部之charge trapping TFT、(2)電荷捕捉層位於元件主動層與介電層界面處之charge trapping TFT以及(3)無電荷捕捉層結構之charge trapping TFT。 在製程上,選用溶液法製備AZO nanoparticle作為各元件之電荷捕捉層,並以旋轉塗佈方式塗佈於元件上,此外,各元件皆以SiO2/p+Si (p+Si為閘極,SiO2為介電層)作為基板,並以電子束蒸鍍方式鍍上Al2O3作為另一層介電層,得以將AZO捕捉層與SiO2介電層位置隔開,使其分別達到AZO捕捉層在介電層內部及介電層與主動層之界面處的捕捉位置,接著以溶液法製備出ZTO作為主動層。最後將三種元件以電子束蒸鍍,鍍上Al電極作為源極及汲極。 為了探討各疊層元件之電荷捕捉能力差異,將從對於元件施加正閘極偏壓(Positive gate bias +40V for 1s)的操作前後IDVG曲線偏移程度來判斷。量測手法為將元件在施加閘極偏壓操作前,進行IDVG曲線掃伏,並作為該元件之pristine state的IDVG性質,接著對元件施加正閘極偏壓操作後,再進行一次條件相同的IDVG曲線掃伏,並作為該元件之charge trapping state的IDVG性質,而藉由兩種state的IDVG曲線偏移量,吾人將得以釐清各疊層結構的電荷捕捉層位置差異與其電荷捕捉能力優劣的關係。 確認各疊層結構元件的電荷捕捉能力後,接著吾人將針對各結構之有無charge trapping狀態與該結構元件之光感測性質作討論,而本實驗使用光源為波長405 nm、520nm及635nm的雷射光(相對應的光子能量為3 06eV、2 38eV及1 95 eV ),針對各結構之charge trapping TFT作為光感測器於不同波長的照射光下得到的性質作分析。首先,透過先前研究可知主動層ZTO薄膜的能隙為3 85eV,對於入射光小於能隙能量的光反應機制,與ZTO內部的中性氧空缺(Vo)受光激發成帶電氧空缺(Vo+/Vo2+)及產生多餘電子有關;入射光波長越短(能量越大)、?率密度越大,受光激發產生的電子數目也會越多;而在TFT IDVG操作過程,隨著ZTO受光激發產生的多餘電子參與形成TFT通道層的累積,因此,在不照光與照光環境下進行量測,將能夠發現元件會有IDVG性質的變化現象,另外,在適當的閘極偏壓下,將可以達到高光敏性質,並能藉由控制閘極偏壓的大小,達到訊號放大的效果;而在本實驗中各元件於pristine state進行照光量測,其結果可以理解,皆由於各元件的主動層ZTO因受照光的反應機制所貢獻。另外,元件在施加正閘極偏壓的操作後,內部將進行電荷的捕捉,而從照光量測的結果來看,各疊層結構的元件相較於pristine state皆有提升的現象,因此,除了主動層ZTO照光產生載子的機制外,可以發現元件內部charge trapping/de-trapping機制也會貢獻照光量測的結果變化,從先前研究中,可以發現ZTO內部因照光產生的帶電氧空缺會在元件內部形成正電場,而AZO捕捉層中的捕捉電子會受到此正電場而釋放回到ZTO中,因此,元件於charge trapping state進行照光時,其結果可以理解,由ZTO本身的照光機制與AZO捕捉層中捕捉電子在照光環境下會被釋放回ZTO中的兩種機制所貢獻,而從三種不同波長的雷射光源量測及三種不同疊層元件的照光結果來看,使元件內部具備額外的捕捉電子,將能夠提升元件作為光感測器於各能譜的照光性質。 建立於前面部分的實驗結果,吾人試圖將元件主動層ZTO受照光的反應機制與電荷捕捉層內部之捕捉電子因照光而釋放回主動層ZTO貢獻光感測變化的機制各自分開,透過該元件的pristine state與charge trapping state的照光結果差異,進而獲得元件在照光量測過程,只受到內部捕捉電子因照光而釋放回ZTO機制所貢獻的光感測變化量;另外,透過不同疊層結構元件的捕捉層位置差異,將能夠釐清不同位置釋放捕捉電子與元件光感測性質的關係,從實驗結果來看,從元件介電層內部的AZO捕捉層釋放捕捉電子回到ZTO中,能夠最有效提升照光感測性質,因其結構具備良好的捕捉電子能力,因此,也能夠在照光量測中,釋放足夠的捕捉電子至ZTO中,增加其受照光而產生的總電子數量。 最後,藉由前述之電荷捕捉層內部捕捉電子受照光而釋放可以有效提升元件的感光性質,吾人對元件進行動態光反應操作,作為元件感光能力的測試,並提出先以閘極偏壓操作元件使電子捕捉於介電層內部,接著以雷射照光使電子釋放回ZTO主動層的方式,達到元件電流訊號放大的效果,證實由電荷捕捉層釋放的電子是元件光反應操作上有效提升感光訊號重要的途徑。本實驗研究元件捕捉電子與其光感測性質的關係,藉由不同疊層結構的元件達到在元件不同物理位置捕捉電子之目的,並從相同元件、不同狀態下進行照光量測的結果差異,說明捕捉電子從元件不同物理位置被釋放回主動層ZTO所造成的光感測性質變化,並證實電荷捕捉位於元件的介電層內部因其擁有良好的捕捉能力,確實能夠有效地提升元件的光敏感性,而使其在動態光反應操作中達到明顯的電流訊號放大的效果。
Date of Award2018 Aug 15
Original languageChinese
SupervisorJen-Sue Chen (Supervisor)

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具氧化鋅鋁奈米晶粒電荷捕捉層薄膜電晶體之電荷捕捉釋放行為及其光感測性質研究
仰軒, 蕭. (Author). 2018 Aug 15

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