薄膜晶体管与先进显示重点实验室
Thin Film Transistor and Advanced Display Lab

金属氧化物TFT在光电探测器的新应用

时间:2019-10-03

非晶氧化物半导体(Amorphous Oxide Semiconductors,AOS)薄膜晶体管(Thin film transistor, TFT)由于其低温大面积制备均匀性好,迁移率高(10 ~ 30 cm2V-1 s-1),亚阈值斜率低(~0.1V / dec),高偏压稳定性较好等优点,引发了众多科研人员的广泛关注和深入研究[1-4]。一方面基于AOS-TFT实现大面积高分辨率的显示驱动面板被认为是取代目前a-Si TFT显示驱动面板的有力竞争者,另一方面由于氧化物半导体中存在着大量的中性氧空位,在光子的激发下中性氧空位电离产生电子,形成光电流,从而实现光电响应,使其具备成为光电传感器实现光电探测的潜力。
在AOS材料体系中非晶氧化铟锌In-Zn-O(IZO)TFT由于其较高的光响应而被认为是实现光电探测的有利材料。2012年,三星电子公司半导体器件实验室先进技术研究院的研究人员在Advanced Materials杂志上发表“用于远程触摸交互式显示器的金属氧化物薄膜光电晶体管”的研究论文,论文对比分析了相同尺寸和制备流程下的底栅 a-Si TFT 和非晶金属氧化物a-MeO(IGZO + IZO)TFT 在不同波段下的响应度[5]。


图1 (a) 具有底栅顶接触结构的a-MeO(IGZO + IZO)光传感器TFT的横截面TEM图像(b)a-Si和a-MeO(IGZO + IZO)TFT器件对不同光波长的响应度(c),(d)a-Si TFT和a-MeO IGZO + IZO)光传感器TFT在黑暗和光照下的转移特性曲线

如图1(b)所示,a-MeO(IGZO + IZO)TFT比a-Si TFT具有更强的波长选择性。在短于500nm 的波长范围内,相同光照下的 a-MeO (IGZO + IZO)TFT 响应度比a-Si TFT要高出1~4个数量级。而500nm波长相同光功率密度光照射下,a-MeO(IGZO + IZO)光传感器TFT要比a-Si TFT具有更高的响应电流和响应度。


图2 (a)当TFT受到光和/或栅极偏置脉冲时,源漏电流随时间的变化。即使在停止照明之后,光电流仍然存在。只有一个正的栅极脉冲才可以有效地恢复到原始的暗态(b)氧化物TFT的示意能带图,从概念上描述了正偏置辅助的PPC恢复机制

同样在2012年三星电子公司半导体器件实验室先进技术研究院的研究人员在Nature Materials杂志上发表“栅控三端结构器件消除氧化物半导体光电传感器阵列中的持久光电导性”的研究论文[6]。如图2所示非晶氧化铟锌In-Zn-O(IZO)TFT虽然具有较高的光响应度,在光照时产生较大的光响应电流,但是在光照撤去之后,其仍然具有较高的响应电流,无法在短时间内恢复到初始暗电流水平,产生持续光电导效应(Persistent Photoconductivity,PPC),这严重降低了基于氧化物的传感器阵列的响应时间和读取速率。针对这一问题,研究人员在本篇论文中通过采用在栅极施加一个正栅压脉冲的方式,引起电子积累,加速其与电离的氧空位的复合,有效缓解了PPC的问题。


图3(a)包含底栅交错型开关TFT和光电TFT的传感器像素示意图。绿色区域对应于显示像素。下方的插图展示了其横截面图。(b)光电传感器像素电路;VG SENSOR端可同时控制感光度和PPC,而VG SWITCH端可进行读出操作。 (c)制造的光传感器像素阵列照片。插图显示了由一个光电TFT和一个开关TFT组成的光电传感器。


图4 单词“ SensorArray”是使用距离光电传感器显示面板表面30cm的绿色激光笔书写的,字母“ SAIT”是使用保持在1-2cm距离的白色LED笔书写的。

如图3和图4所示,在论文中研究人员通过将光电TFT集成到透明的有源矩阵光电传感器阵列中,利用正栅压脉冲偏置的方式缓解PPC问题,使得该光电传感器阵列得以在高帧速率下运行,实现了对于光的接收和响应,从而利用非晶氧化铟锌In-Zn-O(IZO)TFT光电传感器阵列实现了图像传感器,非晶氧化铟锌In-Zn-O(IZO)TFT这一特性有可能在未来非接触交互式显示器中得到更加广泛的应用。

 

撰稿:范昌辉

资料来源:
[1] Nathan, Arokia ; Sungsik Lee ; Sanghun Jeon ; Robertson, John. Amorphous Oxide Semiconductor TFTs for Displays and Imaging. Journal of Display Technology, November 2014, Vol.10(11), pp.917-927.
[2] Lee, Seunghyup ; Ahn, Seung-Eon ; Jeon, Yongwoo ; Ahn, Ji-Hoon ; Song, Ihun ; Jeon, Sanghun ; Yun, Dong-Jin ; Kim, Jungwoo ; Choi, Hyung ; Chung, U-in ; Park, Jaechul. Impact of transparent electrode on photoresponse of ZnO-based phototransistor. Applied Physics Letters, 16 December 2013, Vol.103(25).
[3] Ahn, Seung‐Eon ; Jeon, Sanghun ; Song, Ihun ; Jeon, Yongwoo ; Kim, Young ; Kim, Changjung ; Lim, Junhyung ; Jeong, Wooho ; Goh, Joonchul ; Yeon, Seongjin ; Lee, Cheolgon ; Kim, Jong‐Hee ; Lee, Je‐Hun ; Song, Junho ; Nathan, Arokia ; Lee, Sungsik ; Chung, U‐In. Photo-Sensor Thin Film Transistor based on Double Metal-Oxide Layer for In-cell Remote Touch Screen. SID Symposium Digest of Technical Papers, June 2012, Vol.43(1), pp.334-337.
[4] Lee, Sungsik ; Nathan, Arokia ; Jeon, Sanghun ; Robertson, John. Oxygen Defect-Induced Metastability in Oxide Semiconductors Probed by Gate Pulse Spectroscopy. Scientific reports, 08 October 2015, Vol.5, pp.14902.
[5] Ahn, Seung‐Eon ; Song, Ihun ; Jeon, Sanghun ; Jeon, Youg Woo ; Kim, Young ; Kim, Changjung ; Ryu, Byungki ; Lee, Je‐Hun ; Nathan, Arokia ; Lee, Sungsik ; Kim, Gyu Tae ; Chung, U‐In. Metal Oxide Thin Film Phototransistor for Remote Touch Interactive Displays. Advanced Materials, 15 May 2012, Vol.24(19), pp.2631-2636.
[6] Jeon, Sanghun ; Ahn, Seung-Eon ; Song, Ihun ; Kim, Chang Jung ; Chung, U-In ; Lee, Eunha ; Yoo, Inkyung ; Nathan, Arokia ; Lee, Sungsik ; Robertson, John ; Kim, Kinam. Gated three-terminal device architecture to eliminate persistent photoconductivity in oxide semiconductor photosensor arrays. Nature materials, 26 February 2012, Vol.11(4), pp.301-5.