利用飛行時間微波阻抗顯微鏡探測非晶氧化物半導體中的電荷動力學

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本研究利用飛行時間微波阻抗顯微鏡，解析 a-IGZO 薄膜中的電荷動力學，發現多重陷阱與釋放傳輸和深陷阱態躍遷傳輸機制共同影響電荷傳輸特性。

Kivonat

文獻資訊

• Yu, J., Zhou, Y., Wang, X., Dodabalapur, A., & Lai, K. (2023). Probing Charge Dynamics in Amorphous Oxide Semiconductors by Time-of-flight Microwave Impedance Microscopy. Nano Letters, 23(24), 11749–11755.

研究目標

本研究旨在利用飛行時間微波阻抗顯微鏡 (TOF-MIM) 技術，探討非晶氧化物半導體 (AOS) 材料，特別是非晶銦鎵鋅氧化物 (a-IGZO) 薄膜中的電荷動力學。

研究方法

研究人員將 a-IGZO 薄膜沉積在具有 90 nm 熱氧化矽的重摻雜 n 型矽基板上，並製備成場效應電晶體 (FET) 結構。他們使用 TOF-MIM 技術，通過在閘極電極上施加階躍電壓並監測瞬態信號，解析載流子注入和 MIM 響應開始之間的延遲時間、通道中電導率的建立，以及由於偏置應力效應導致的信號飽和後載流子的逐漸損失。

主要發現

• 通過 TOF 分析提取的遷移率約為 2 ~ 3 cm2/V∙s。
• 多重陷阱與釋放 (MTR) 傳輸機制，其特徵時間常數約為 1 毫秒，決定了初始渡越時間和靠近源極電極的 MIM 信號上升。
• 隨著電子在更長時間和更長距離尺度上被捕獲到強局域態，通過深陷阱的躍遷傳輸機制（其特徵時間常數為幾毫秒）逐漸主導電荷動力學，導致類似誤差函數的 TOF 特性和偏置應力效應。

主要結論

本研究結果表明，a-IGZO 薄膜中的電荷傳輸機制是多重陷阱與釋放傳輸和深陷阱態躍遷傳輸的競爭結果。靠近源極電極的區域，MTR 傳輸占主導地位，而隨著距離增加和時間推移，深陷阱態躍遷傳輸逐漸成為主要機制。

研究意義

本研究揭示了非晶氧化物半導體中競爭的電荷傳輸機制，這對於其在奈米電子學和光電子學中的應用具有重要意義。

研究限制與未來方向

• 本研究主要關注於低溫和低成本的製備工藝，未來可以進一步研究具有更高遷移率和不同器件性能的樣品。
• 未來可以發展更嚴謹的 TOF 分析模型，以包含兩種傳輸機制，並更深入地理解短溝道器件中的時空 MIM 響應。

Statisztikák

非晶銦鎵鋅氧化物 (a-IGZO) 薄膜厚度為 20 nm。
氧化鎵:氧化銦:氧化鋅的標稱組成為 1:2:2。
薄膜在 400 °C 的熱板上退火 1 小時。
微波激勵信號頻率為 1 GHz。
場效應電晶體 (FET) 的閾值電壓為 2.13 V。
通過 TOF 分析提取的遷移率約為 2 ~ 3 cm2/V∙s。
多重陷阱與釋放 (MTR) 傳輸機制的特徵時間常數約為 1 毫秒。
深陷阱態躍遷傳輸機制的特徵時間常數為幾毫秒。

Idézetek

Főbb Kivonatok

Probing Charge Dynamics in Amorphous Oxide Semiconductors by Time-of-flight Microwave Impedance Microscopy

by Jia Yu, Yuch... : arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10698.pdf

Mélyebb kérdések

如何利用本研究發現，設計和優化基於 a-IGZO 的高性能電子器件？

本研究揭示了 a-IGZO 薄膜中多重陷阱和釋放 (MTR) 傳輸與深陷阱態躍遷傳輸之間的競爭關係，這為設計和優化基於 a-IGZO 的高性能電子器件提供了以下思路：

提高載流子遷移率:

減少深陷阱態密度：可以通过优化薄膜沉积工艺、后退火条件以及摻雜等手段来减少薄膜中的缺陷，从而降低深陷阱態密度，提高 MTR 傳輸的贡献。
提高 MTR 傳輸效率：可以通过提高薄膜结晶度、减小能带尾态宽度等方式来提高 MTR 傳輸效率。

降低操作电压:

降低阈值电压：可以通过优化栅介质材料、界面特性以及沟道厚度等方式来降低器件的阈值电压，从而降低操作电压。

改善器件稳定性:

抑制偏置应力效应：可以通过钝化缺陷、优化器件结构等方式来抑制偏置应力效应，提高器件的稳定性。

针对不同应用场景选择合适的材料和器件结构:

对于需要高迁移率的应用，例如显示器驱动电路，应该尽量提高 MTR 传输的贡献。
对于低成本、大面积的应用，例如传感器，可以考虑利用 hopping 传输的特点。

总而言之，通过合理控制 a-IGZO 薄膜的制备工艺和器件结构，可以有效调控 MTR 传输和 hopping 传输之间的比例，从而实现对器件性能的优化。

是否存在其他實驗技術可以更精確地解析 a-IGZO 中不同電荷傳輸機制的貢獻？

除了時間分辨微波阻抗顯微鏡 (MIM) 之外，還有一些其他的實驗技術可以更精確地解析 a-IGZO 中不同電荷傳輸機制的貢獻，例如：

温度依赖性电流-电压特性测试: 通过测量不同温度下的电流-电压特性曲线，可以分析出不同传输机制的激活能，从而区分 MTR 传输和 hopping 传输。
频率依赖性电容-电压特性测试: 通过测量不同频率下的电容-电压特性曲线，可以分析出不同陷阱态的能量分布和时间常数，从而区分不同类型的陷阱态对传输的影响。
热释电电流测试 (TSC): TSC 可以用来研究材料中的陷阱态分布。通过分析 TSC 谱，可以得到陷阱态的能量深度、密度等信息，从而判断不同类型陷阱态对传输的影响。
空間分辨電荷載流子測量技術: 例如掃描開爾文探針顯微鏡 (SKPM) 和電荷梯度顯微鏡 (CGM)，可以探测材料表面的电势分布和电荷密度分布，从而更直观地研究电荷传输过程。
瞬态光电流/光电压测试: 结合光激发可以更有效地研究不同时间尺度下的电荷传输机制，例如瞬态光电流测试可以用来研究载流子的寿命和迁移率，而瞬态光电压测试可以用来研究电荷的复合过程。

综合运用多种实验技术，可以更全面、更精确地解析 a-IGZO 中不同电荷传输机制的贡献，为材料和器件的设计提供更可靠的依据。

本研究發現對於理解其他非晶態或無序材料中的電荷傳輸有何啟示？

本研究以 a-IGZO 为例，揭示了非晶态或无序材料中 MTR 传输和 hopping 传输共存的现象，并阐明了两种机制之间的竞争关系。这为理解其他非晶态或无序材料中的电荷传输提供了以下启示：

多重传输机制的普遍性: a-IGZO 中观察到的 MTR 传输和 hopping 传输共存现象并非个例，而可能是非晶态或无序材料中普遍存在的现象。
材料微观结构与传输机制的关联: 非晶态或无序材料的微观结构，例如缺陷类型、密度、分布等，对 MTR 传输和 hopping 传输的贡献比例有重要影响。
外部条件对传输机制的影响: 温度、电场等外部条件可以改变不同传输机制的贡献比例，从而影响材料的宏观电学性质。

因此，在研究其他非晶态或无序材料的电荷传输时，需要考虑多重传输机制的可能性，并结合材料的微观结构和外部条件进行分析。这将有助于更深入地理解非晶态或无序材料的电荷传输特性，并为开发新型电子器件提供理论指导。