核心概念
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。
摘要
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。
統計資料
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。