氧化锌共掺杂研究及薄膜晶体管研制

发布时间：2020-04-02 21:30

【摘要】：氧化锌(zinc oxide,ZnO)是非常重要的宽禁带半导体材料,它具有优异的光电性能、低生长温度、高耐辐射性能、无毒无害、环境友好、储量丰富等优点,在光电子学、柔性电子学、高压电子学等领域有广泛的应用前景。然而,缺乏稳定可靠的p型ZnO材料限制了其在光电子领域中的实际应用,ZnO基柔性薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)和高压薄膜晶体管(HV-TFT)则需要更优良、更稳定的性能。为此,我们从基础科学和应用技术两方面开展了研究工作。从基础科学的角度出发,我们采用共掺杂方法,研究了ZnO中的点缺陷行为,尝试为p型掺杂提供可能的解决方案。我们使用射频等离子体辅助分子束外延方法成功制备了Na-F共掺的ZnO单晶薄膜,结合X射线光电子能谱、二次离子质谱、变温霍尔效应等表征手段验证了Na-F共掺对于Na杂质固溶度的提高以及对填隙位的Na补偿施主的抑制作用。高达10~(20) cm~(-3)的F和Na的掺杂浓度并没有影响晶格常数,F的引入提高了ZnO薄膜的结晶质量,降低了表面粗糙度,增加了霍尔迁移率。F掺杂提高了ZnO薄膜的费米能级,Na填隙的形成能增加,同时Na替位的形成能降低,因此绝大多数的Na杂质都处于Zn的晶格位上,Na填隙所占比例远小于2.3%。Na-F共掺的ZnO薄膜的高掺杂浓度和低电子浓度说明绝大部分F施主都被补偿,而它的高迁移率和Na与F一致的深度分布说明Na与相邻的F离子形成(F_O~+-Na~-_(Zn))~0中性复合缺陷。掺杂还影响了ZnO薄膜的发光,在低温光致发光谱中,ZnO:F和ZnO:Na-F都存在3.352 eV附近与F施主有关的D~0X发光峰。本征ZnO出现了与Zn空位(V_(Zn))有关的深能级发光,而ZnO:F中F_O~+-(1_(Zn)~(2—)复合缺陷的形成消除了孤立的V_(Zn)缺陷,因此没有出现深能级发光。在ZnO:Na-F中(F_O~+-Na~-_(Zn))~0的形成导致大量V_(Zn)残留,增强了深能级的发光。从应用技术的角度出发,我们研制了ZnO基柔性薄膜晶体管,探索了两种耐高温的柔性衬底,通过退火提高器件的性能和稳定性。目前柔性薄膜晶体管主要是基于有机聚合物衬底,然而它们难以承受较高的处理温度,热膨胀系数比较大,对水和氧气的阻隔能力差,对器件的性能、稳定性、使用寿命等有很大的影响。我们首先研究了金属铜衬底上的柔性ZnO TFT,采用电镀铜工艺获得了25μm厚的柔性金属铜箔,解决了金属衬底表面粗糙的问题,退火后TFT的性能和稳定性有所提升,在10,000次弯曲后性能仍然保持稳定。然后我们研究了云母衬底上的柔性透明InGaZnO(IGZO)TFT,它在可见光范围内的平均透过率高达86.75%。随着退火温度的升高,TFT的电学性能和稳定性增加。15μm厚的云母具有极佳的机械性能,在10,000次弯曲后TFT的性能仍然保持稳定。这两种耐高温的材料都有利于高性能、高稳定性的柔性电子器件的实现与实际应用。从应用技术的角度出发,我们还研制了高压薄膜晶体管。为了解决栅绝缘层和沟道层界面缺陷态对HV-TFT的击穿电压和开关比的影响,我们采用双层沟道结构钝化了这些界面缺陷态,实现了高性能的HV-TFT。我们首先分别研究了两层沟道的不同厚度对于TFT性能和稳定性的影响。低阻层IGZO具有10~(19) cm~(-3)量级的电子浓度,钝化了界面缺陷态,它非常光滑的表面形貌提供了良好的同质界面,TFT的迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压、回滞电压等性能都大幅提升。厚的高阻层IGZO会增大源漏电极与沟道的接触电阻,也会使回滞曲线由顺时针转变为逆时针。然后我们采用最优的双层条件制备了HV-TFT,它的开关比高达10~(10),击穿电压高于200 V。承受高压的错排(offset)结构只影响过阈值区的电流,而不影响阈值电压、回滞电压、关态电流。TCAD仿真与实验结果的对比说明高的开态电流来自于低阻层IGZO所提供的导电通道。最后我们介绍了薄膜晶体管中广泛存在的关态时漏极电流转变为负向的现象。通过建立TFT在关态时的动态等效电路,我们得出负向的漏极电流来源于栅绝缘层电容的放电效应。当漏极电压较小、初始栅压较小、扫描速度较大、栅绝缘层电阻较大、电容较大、漏极接触电阻较小时,关态漏极电流更容易出现负值。通过上述研究,我们揭示了ZnO中一些点缺陷的行为,有利于理解ZnO的电学和光学特性,对于相关材料的研究也有借鉴意义;我们提高了柔性薄膜晶体管的性能和稳定性,提出的两种耐高温衬底也不仅仅局限于TFT的应用;我们在高压薄膜晶体管中引入了双层沟道结构,提高了击穿电压和开关比,有助于可穿戴器件等领域的发展;我们阐述了TFT的异常关态电流现象及其原因。
【图文】：

阐述 p 型掺杂的困难所在；然后介本论文的主要内容与结构。质带隙的宽禁带半导体材料，它有三锌矿（zinc blende，B3）、岩盐矿定相是纤锌矿结构，如图 1.1 所示close-packed）亚晶格，这两套亚晶 sp3杂化共价结合成四面体配位，其立方衬底上可以得到稳定的闪锌矿而研究最多的还是纤锌矿 ZnO，在O。

论计算得到的 ZnO 能带结构，，其中价带顶的能量设etically calculated band structure of ZnO, where the enerzero[8].表 1.1 ZnO 的基本性质[9]。Table 1.1 Basic properties of ZnO[9].性质 数值300 K 时晶格常数aca/cu0.32495 nm0.52069 nm1.6020.345密度 5.606 g/cm-3300 K 时稳定相 Wurtzite熔点 1975 °C热导率 0.6, 1 1.2 W/cm K线膨胀系数 a: 6.5 10-6K-1c: 3.0 10-6K-1静介电常数 8.656折射率 2.008, 2.029
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TN321.5

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本文编号：2612468