【国内论文】中国科学院宁波材料技术与工程研究所：基于TCAD的a-GaOx UV光电晶体管研究

        紫外（UV）探测技术在环境监测、空间探索和安全通信等领域具有重要地位。其中，200–280 nm 的日盲波段因大气臭氧层的强吸收作用，使地表背景噪声极低，能够实现高信噪比探测。在众多探测器架构中，薄膜晶体管光电探测器（TFT-PDs）集成了光检测与栅控放大功能，能够通过栅极电压调节响应度大小和工作窗口 。此外，它还具有低功耗和易于实现阵列化集成等优点。非晶氧化镓（a-GaO_x）由于具有宽禁带特性，能够使探测器获得极低的暗电流和较高的紫外灵敏度，是制备日盲紫外探测器的理想沟道材料。a-GaO_x 薄膜通常采用射频磁控溅射等低热预算工艺在室温下制备。然而，器件性能对溅射功率、气体流量比（Ar/O₂）和膜层厚度等工艺参数高度敏感。传统的单因素变量法难以处理多个工艺参数对薄膜致密化、缺陷形成及界面电荷状态的耦合影响。这种方法不仅实验工作量巨大，且往往只能得到碎片化的结论，难以在统一框架内比较各因素的相对贡献。虽然技术计算机辅助设计（TCAD）已被用于器件机制分析，但多数研究仅限于拟合暗态下的转移特性曲线。定量拟合实验中的瞬态光电流（I-t）曲线并从中提取缺陷参数的研究相对匮乏，这限制了对不同工艺条件下器件内部机理的深入理解。

        非晶态氧化镓薄膜晶体管光探测器因其宽带隙和低暗电流特性，在紫外检测领域展现出广阔前景。磁控溅射工艺虽适用于低温加工，但器件性能对溅射条件极为敏感。参数选择不当会引入氧空位和界面电荷，导致光电性能下降。本研究采用三因子三水平正交设计，分别改变溅射功率、Ar/O₂ 流量比及薄膜厚度。制备九组器件，基于 254 nm 波长下测得的传输特性与瞬态光电流-时间（I-t）响应进行对比，发现不同工艺组合间存在显著差异。为探究差异根源，选取响应度差异显著的代表性样品进行 TCAD 建模。通过拟合模拟 I-t 曲线与实测瞬态响应，提取界面固定电荷密度与缺陷态密度，并分析不同样品的光子吸收分布。该分析从缺陷与紫外吸收双重视角揭示了响应度差异的成因。同时对比了两种样品经椭圆偏振仪测得的 254 nm 吸收系数，发现模拟与椭圆偏振仪观测到的吸收趋势一致，验证了模拟结果的准确性。本研究提出了一种结合实验与 TCAD 的综合方法，用于 a-GaO_x TFT-PD 的工艺优化与机理分析。

        ● 提出了一种结合实验制备与物理 TCAD 建模的综合分析方法。通过在模型中使用与实验一致的几何结构、偏压和照明条件，实现了对实验观测现象的精确重现。

        ● 通过拟合，成功提取了关键的界面固定电荷密度和亚带隙缺陷态密度，为比较不同工艺生产的样本提供了定量的物理依据。

        ● 通过 TCAD 分析光子吸收率的空间分布，并结合提取的缺陷电荷信息，从缺陷捕获和紫外吸收两个维度深入揭示了不同工艺条件下响应度产生差异的物理本质。

        本研究采用三因子三水平正交设计，重点探究溅射工艺参数对底栅 a-GaO_x 薄膜晶体管电容耦合光电探测器（TFT-PD）光电性能的影响。通过传输曲线和 254 nm 光电响应曲线，评估溅射功率、Ar/O₂ 流量比与薄膜厚度对器件性能的协同作用。不同参数组合导致传输特性与瞬态响应发生显著变化，进而影响光电流、光暗电流比及响应度。在相同实验条件下，通过 TCAD 模拟提取界面固定电荷密度及陷阱态参数（尾态与深能级），发现这些参数对沉积条件具有高度依赖性。模拟的光子吸收率分布与椭圆偏振法测得的 254 nm 吸收系数高度吻合，证实了吸收差异的存在。提取的陷阱参数与吸收分布不仅解释了器件间响应度的差异，更为工艺优化提供了直接依据。该实验-TCAD联合工作流程不仅适用于 a-GaO_x 薄膜晶体管光探测器，更可轻松扩展至其他氧化物基薄膜晶体管光探测系统（如 IGZO、ZnO、In₂O₃ 或 SnO₂ 沟道），因其器件性能同样受制于工艺依赖性缺陷态、界面电荷及光学吸收等相似因素。通过将正交工艺筛选与瞬态响应拟合及 TCAD 内部物理分析相结合，该方法为提取可比缺陷/电荷参数、识别性能瓶颈因素提供了通用框架，可广泛应用于各类氧化物基光探测器的优化优化。

        作者感谢上海大学徐萌在TCAD仿真中构建器件模型所提供的帮助。

图1. 正交设计矩阵及其对应的电学特性与响应特性。（a）三因子三水平正交设计中的因子水平组合；（b）a-GaO_x 薄膜晶体管电容式探测器的暗电流传输曲线； (c) 在 V_DS=10.1 V 条件下，254 nm 光照（功率密度：0.741 µW∙cm⁻²）测得的瞬态 I-t 曲线。瞬态测量期间，V_GS 固定为各器件暗态传输曲线中提取的导通电压(V_ON)。

图2. 磁控溅射参数对 a-GaO_x 薄膜晶体管电容式探测器响应度的主效应分析。（a）溅射功率；（b）a-GaO_x 薄膜厚度；（c）Ar/O₂ 流量比。自上而下依次为光电流、光暗电流比及响应度指标。

图3. 具有不同响应度的代表性器件的 TCAD 拟合与缺陷参数提取。在 V_DS=10.1 V 条件下，于 254 nm 波长、0.741 µW·cm⁻² 功率密度照射下测得并模拟的 I-t 曲线；偏置设置与实验一致，V_GS 固定为由暗态转移曲线定义的 V_ON 值。(a) S4 器件在 254 nm 紫外照射下的实验与 TCAD 模拟 I-t 曲线；(b) S7 器件在 254 nm 紫外照射下的实验与 TCAD 模拟 I-t 曲线；(c) TCAD 拟合中使用的 S4 器件缺陷态密度(DOS)提取结果； (d) TCAD 拟合中使用的 S7 缺陷态密度谱。

图4. S4 和 S7 薄膜的光子吸收模拟及椭圆偏振测量所得光学特性。(a) 稳态照明下通道内光子吸收率的模拟空间分布；(b) 通过光谱椭圆偏振法测得的 S4 和 S7 薄膜在 240–300 nm 波段的吸收系数(α)光谱； (c) 通过光谱椭圆偏振仪测得的 S4 和 S7 薄膜在 1200–1700 nm 波段的折射率(n)谱。

图A1. 沉积于硅衬底上的 a-GaO_x 薄膜的可变角度光谱椭圆偏振仪（VASE）数据及模型拟合结果。（a）S4 薄膜；（b）S7 薄膜。

图A2. TCAD 模拟的 S4 和 S7 通道中光生载流子生成率与复合率的稳态空间分布。

DOI：

doi.org/10.3390/coatings16030308