基于铟镓锌氧和氧化镓肖特基结电子器件的制备及性能研究

发布时间：2020-04-16 03:27

【摘要】：氧化物半导体是很有前途的薄膜电子材料,近十几年来,基于氧化物半导体的电子器件成为研究热点。本论文研究了基于铟镓锌氧[InGaZnO(IGZO)]和氧化镓(Ga_20_3)两种氧化物半导体的电子器件。IGZO具有宽带隙(3.4 eV)、高载流子迁移率、对可见光透明、可大面积均匀成膜、以及可低温甚至室温成膜(因而可在柔性衬底上制备)等特点,因此对柔性、透明、和可穿戴电子特别有利。基于IGZO的薄膜晶体管在平板显示器上已经得到了商业化应用。尽管对氧化物晶体管进行了大量研究,但对基于IGZO的肖特基二极管(SBDs)的研究仍然非常有限。Ga_20_3具有超宽带隙(～4.8 eV)、高击穿场强(8 MV/cm)和高的巴利加优值(3444,电路损耗的关键指标),其击穿场强、巴利加优值分别是目前主流宽禁带半导体氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的2-3倍、～10倍,因此是制备新一代超高功率器件的理想材料。β-Ga_20_3具有层状结构,因此可以通过机械剥离方法制备高质量单晶薄膜/晶片。在过去的几年里,随着Ga_20_3单晶生长技术的突破,基于剥离Ga_20_3单晶薄膜及高质量同质外延Ga_20_3的电力电子器件开始发展。目前,关于Ga_20_3电力电子器件的研究还处于初始阶段,器件类型以肖特基二极管与场效应晶体管为主。其中,高质量Ga_20_3肖特基界面是实现大功率Ga2203 SBDs的关键。对Ga_20_3肖特基界面的电学性质和物理机理的详细研究是非常迫切的。本论文利用电容-电压(C-V)、电流密度-电压(J-V)、频率和电压依赖的电容和电导(C-V-f、G-V-f)、肖特基电容光谱、低频噪音(LFN)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、和X射线光电子能谱(XPS)等多种方法,系统研究了肖特基界面的电学特性和物理特性,并分析了其中包含的物理机制。实现了基于IGZO和Ga_20_3的高性能SBDs的研制,并进一步研制了基于IGZO的低电压、低功耗肖特基势垒薄膜晶体管(SB-TFTs)和肖特基势垒双电层薄膜晶体管(SB-EDLTs)。本文的重点实验内容如下:1.高性能刚性及柔性IGZO SBDs的研制(1)高性能刚性IGZO SBDs的研究溅射IGZO过程中氧分压的影响氧化物半导体容易产生氧缺陷,对金属/氧化物半导体肖特基界面产生严重影响,如引起费米能级钉扎从而导致势垒高度很低等。本论文研究了溅射IGZO过程中氧分压(PO)对SBDs性能的影响。当PO= 0%时,SBDs的整流特性很差,开关比(I_(on/off))～10。随着PO从2.5%增加到20%,势垒高度(Φ_(BJV))从0.79增加到0.92 eV,I_(on/off)由5.4 × 106减小为6.0 ×103,理想因子(n)由1.11退化为1.68。说明通入适量的氧气有助于形成高的Φ_(BJV),以及大的I_(on/off),但是Po过高会导致n和I_(on/off)退化。氧化处理阳极金属效应由于多数金属对氧具有一定的化学亲和力,导致金属/氧化物半导体界面处半导体亚表面的氧缺陷增多,从而造成器件性能退化。为了避免这个问题,本论文对Pd肖特基金属电极表面进行了氧化预处理。论文系统研究了不同氧化工艺(氧等离子体处理与紫外-臭氧处理)对Pd/IGZO肖特基界面质量的影响。XPS结果显示,两种氧化处理工艺均可使Pd部分被氧化成PdO,氧等离子体处理可使氧化更充分,因而使得肖特基界面具有更高的氧化学计量比和更高的阳极功函数,器件性能更高。衬底和阳极金属的退火效应在以上两种工艺优化(高效氧等离子体处理Pd表面、IGZO溅射采用适当PO=2.5%)的基础上,进一步研究了 SiO_2/Si衬底和Pd 阳极金属的退火效应对IGZO SBDs性能的影响,研究表明衬底预退火(300℃,30 min)后再沉积Pd(沉积47 nm Pd后不再退火)的电极表面粗糙度最小(0.69 nm),器件性能最优,Φ_(BJV) 为0.88 eV,I_(on/off)高达7.21 × 10~7,n低至 1.09。据我们所知,这在IGZO没有退火的SBDs中达到了最高水平。而沉积Pd后再进行退火(230℃ 60 min)会增加电极表面粗糙度(达0.73 nm),导致器件性能下降,Φ_(BJV)降至0.86 eV,I_(on/off)降至3.48 ×10~7,n增至1.13。C-V测量结果表明,Pd电极表面粗糙度与肖特基界面处的陷阱态密度相关。(2)高性能柔性IGZO SBDs在上述刚性IGZO SBDs研究的基础上,本论文基于优化的IGZO溅射工艺(PO=2.5%)及高效氧等离子体处理Pd表面的工艺,在柔性聚对苯二甲酸乙二酷(PET)和聚酰亚胺(P1)衬底上制备了 IGZO SBDs,其Φ_(BJV)分别为0.79和0.76 eV,I_(on/off)分别为7.3 × 106和2.6 × 104,n分别为1.22和1.19。值得注意的是,这些柔性SBDs在大气中存储两年后性能不仅未退化反而有一定的改善,反向电流拟合表明这些柔性SBDs在大气中存储两年后肖特基势垒不均匀性得到改善,其原因可能为长期大气暴露造成的肖特基界面处IGZO亚表面氧空位的缓慢填充。存储两年后,PET衬底上的柔性SBDs性能达到世界领先水平,Φ_(BJV)为0.80 eV,I_(on/off)为2.0 x10~7,为1.09,击穿电压为7.5V。此外,这些柔性SBDs在弯曲测试时表现出坚固的性能,表明其在拉伸和压缩应力下可以很好的工作。2.高性能Ga_20_3 SBDs的研究Ga_20_3 SBDs被认为在功率器件领域具有巨大的应用价值。对于SBDs功率器件而言,肖特基界面质量,包括理想因子、势垒高度、界面陷阱态密度等是影响其性能的关键因素。本论文通过对新型肖特基电极材料的研究,实现了高质量SnOx/Ga_2O_3肖特基接触,为Ga_2O_3肖特基工艺提供了一种新方法,也为后续Ga_2O_3高功率SBDs的研究打下了基础。(1)Ga_2O_3的机械剥离及性质研究β-Ga_2O_3晶体沿[100]方向具有12.23 A的大晶格常数,即具备解理面,因而可以通过机械剥离方法获得准二维Ga_2O_3单晶薄膜/晶片。本论文基于山东大学晶体材料国家重点实验室生长的高质量体块Si掺杂及Cr掺杂β-Ga_2O_3单晶,通过机械剥离制备了高质量Ga_2O_3晶片。霍尔效应测试显示,Si掺杂和Cr掺杂Ga_20_3晶片的载流子浓度均为1.0 × 1018 cm-3,霍尔迁移率分别为68和90 cm~2/Vs。原子力显微镜结果表明机械剥离得到的两种Ga_2O_3晶片具有0.3-0.37 nm的均方根表面粗糙度,是原子级平整的,适合制备电子器件。此外,本论文系统研究了该Ga_2O_3晶片的紫外-可见光透射光谱、显微拉曼光谱、以及X射线衍射图谱,结果表明其具有4.6-4.8 eV的宽带隙以及高的单晶质量。(2)Pd/Ga_2O_3 SBDs 的制备基于上述机械剥离的Ga_2O_3晶片,首先制备了底肖特基接触(先做Pd肖特基电极,后做Ti/Au欧姆电极)的Pd/Ga_2O_3 SBDs,电学性能表征表明器件整体性能不高,Φ_(BJV)较低为0.86 eV,I_(on/off)～106,n为1.22,串联电阻(Rs)较高为0.7 Ωcm~2。基于肖特基电容光谱和LFN方法表征了 Pd/Ga_2O_3肖特基界面的陷阱态密度较高,1013 eV-1m2。其次,为了减小IGZO肖特基电极形成后后续工艺对肖特基接触的影响,本论文还制备了顶肖特基接触Pd/Ga_2O_3 SBDs(先做Ti/Au欧姆电极、后做Pd肖特基电极),并且在形成肖特基接触之前先对欧姆接触进行了快速热退火提高了欧姆接触质量。结果表明顶肖特基接触Pd/Ga_2O_3 SBDs器件性能显著提高,其n、Φ_(BJV)、RS和I_(on/off)分别为1.18、1.34 eV、30.6 mΩcm~2、和1010。(3)SnOx/Ga_20_3 SBDs的制备与惰性高功函数金属Au、Pd、和Pt等相比,Sn具有显著低的成本并且容易被氧化。氧化金属作为肖特基电极可以使肖特基界面富氧,减小氧缺乏以及相关的缺陷态,从而改善肖特基接触质量。本论文首次用SnOx作为肖特基电极制备了高性能Ga_20_3 SBDs。通过调控溅射过程中的PO实现了对SnOx薄膜的化学组分及电学特性的调控。使用拉曼光谱、XPS和紫外-可见透射光谱对SnOx薄膜进行了系统研究,结果表明:PO=0-3.1%的薄膜主要由p型SnO和金属Sn组成,薄膜具有高导电性;PO= 4.6-5.4%的薄膜由p型SnO和n型SnO2组成,具有高电阻;PO;10.0-13.1%的薄膜主要以低电阻率的n型SnO2为主。随着PO从0增加到3.1%,SnOx/Ga_2O_3 SBDs的性能得到显著改善,主要是由于SnO主导的薄膜有效地降低了Ga_2O_3界面处的氧缺乏和相关的界面态密度。PO=5.4%时,高电阻SnOx导致SBDs性能降低,一方面高电阻层整体降低器件电流,另一方面具有氧空位缺陷的n型SnO2组分可能加剧了肖特基界面处的氧缺乏。将SnOx的化学成分调控为以导电SnO为主,即P0=3.1%,SnOx/Ga_2O_3 SBDs的性能最优。基于该优化的SnOx肖特基电极,Si掺杂Ga_2O_3 SBDs的Φ_(BJV),为1.12 eV,n为1.22,I_(on/off)1010,而Cr掺杂Ga_2O_3的SBDs表现出更高的性能,,n仅为1.02,Φ_(BJV)高达1.17 eV,I_(on/off)为1010。频率和电压依赖的电容和电导分析显示基于Cr掺杂Ga_2O_3的SBDs的界面态密度较低,仅为2.46 × 1012 eV-1cm-2。3.IGZO SB-TFTs 的研究SB-TFTs可以实现低电压和低功耗,在移动便携式电子领域具有巨大的应用价值。本论文研究了基于IGZO的SB-TFTs。通过退火调节Pd源/漏金属与IGZO沟道之间形成的势垒高度,进而调节IGZO SB-TFTs的性能。100℃退火后,Pd与IGZO之间形成0.54 eV的Φ_(BJV),SB-TFTs表现出最佳性能,实现了低电压和低功耗,其关态电流～10-13A,I_(on/off)～10~7,亚阈值摆幅(SS)为0.93 V/dec,阈值电压(VTH)为0.25V,饱和漏极电压1.5V。在持续加3000 s、+10/-10V的应力下,正向栅压应力(PBS)使VTH移动了 1.19 V,负向栅压应力(NBS)下VTH几乎不移动。负向栅压光照应力测试表明,除了蓝色(450 nm)光照下VTH移动比较大(-4.87 V)以外,红色(650nm)和绿色(532nm)光照下,器件表现出良好的稳定性。4.IGZO SB-EDLTs的研究EDLTs是另一种实现低电压的有效方法。首先,在刚性衬底上制备了IGZO EDLTs,研究了器件的栅压应力稳定性。在持续施加32 min、+1/-1 V的应力下,PBS下器件表现出高稳定性,NBS下VTH偏移了 0.57 V。其次,本论文开发了一种简单,低成本的“划线,切片和倒装贴片”工艺制备了柔性IGZO EDLTs。该器件在-1～+1 V的极低栅偏压下表现出高性能,具有大I_(on/off)为1.4 × 10~7,SS低至76 mV/dec(接近理论最小值59 mV/dec)。在此基础上,利用Pd作为源/漏接触电极,初步制备了 SB-EDLTs。通过对IGZO层进行退火,调节源/漏与沟道重叠区域的势垒高度,与IGZO未退火器件相比,关态电流从1 × 10~(-7) A降低到5 ×10~(-9) A,SS由170降至80 mV/dec。结果表明,该类肖特基源/漏极器件相比传统欧姆接触器件(如退火前的SB-EDLTs)具有更好的器件性能。
【图文】：

３．１．２溅射过程氧分压的影响逡逑氧化物半导体容易产生氧缺乏，对肖特基界面产生严重影响，如导致势垒高逡逑度很低等。据报道，使用２０％的较高Ｐ０溅射沉积ＩＧＺＯ层可以确保肖特基界面逡逑中的高氧化学计量，实现高办［１Ｍ１，３Ｗ１１。然而，这种高Ｐ0会导致高的界面陷阱逡逑态密度并且降低ＳＢＤｓ的其他性能，例如，大的《和大的势垒不均匀性。因此，逡逑通常需要退火来降低界面陷阱态密度，改善肖特基接触界面质量［１６＿２１，，３１］。逡逑0邋ＵＶ－Ｏｚｏｎｅ邋ｔｒｅａｔｅｄ邋３０邋ｍｉｎ逡逑ｌ：

山东大学博士学位论文逡逑提取的＃ｄｅｐｉ和Ｆｂｉ值，结合等式（２－１８），得到耗尽区宽度（Ｆｄ）随着施加电压的逡逑变化趋势，如图４－８邋（ｂ）所示。结果表明，器件的耗尽区很窄，在－ＩＶ偏压下为逡逑３５邋ｒｎｎ，主要是因为我们使用的Ｇａ２０３具有高载流子浓度。根据等式（２－１９）画逡逑出ｉＶｄｅｐｌ作为施加电压的函数，如图４－８邋（ｃ）所示。在负向电压下，靠近半导体表逡逑面的掺杂浓度升高，主要是因为半导体表面吸附碳氢和氧氧等污染物，形成电子逡逑积累层。逡逑２．０＝ｂ４０Ｃ１０
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN305


本文编号：2629331