SiO2Si 衬底上制备增强型 ZnO 薄膜晶体管

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1、精品论文大全SiO2/Si 衬底上制备增强型 ZnO 薄膜晶体管张新安 1，2，张景文 1，侯洵 1，21 西安交通大学信息光子技术省重点实验室，陕西西安（710049）2 河南大学物理与信息光电子学院，河南开封（475001）E-mail：jwzhang摘要：在 NH3 和 O2 的混合气氛下，采用激光分子束外延法（L-MBE）在 SiO2/p-Si 衬底 上制备氮掺杂 ZnO 薄膜， XRD 分析表明 ZnO 薄膜掺入微量的氮后仍有很高的结晶质量和高度的 C 轴择优取向性，（0002）面摇摆曲线的半峰宽仅为 1.89；并在此基础上制备了以氮掺杂 ZnO 薄膜为沟道层、以 SiO2 为绝缘层

2、的底栅式薄膜晶体管，电学测试表明该晶体管 工作在 N 沟道增强模式，阈值电压为 5.15V，电流开关比为 104，电子的场迁移率达到 2.66 cm2/VS。关键词：ZnO 薄膜，激光分子束外延，薄膜晶体管，迁移率中图分类号: O472+.41. 引言近年来，随着薄膜制备工艺和微细加工技术的不断发展，薄膜晶体管（TFT）在光电显 示、光电探测、气敏传感等领域的应用日趋广泛1-3，薄膜晶体管中半导体沟道层的性质对 器件的性能、制作工艺有重要的影响，是决定薄膜晶体管应用范围的关键。最近有人报道了 以氧化锌(ZnO)为沟道层的薄膜晶体管（ZnO-TFT），和传统的 TFT 沟道层（非晶硅、多晶 硅、

3、硒化镉或有机半导体材料等）相比，ZnO 是一种新型的宽禁带化合物半导体材料，常 温常压下呈六方纤锌矿结构，室温下的禁带宽度为 3.37eV，同时具有激子束缚能高、制备 温度低、对衬底要求不高、无毒害等优点，以 ZnO 作为 TFT 的沟道层不但可以优化 TFT 的 制作工艺，而且大大拓宽 TFT 的应用范围，最近已有很多关于 ZnO-TFT 在气敏和紫外探测 方面的报道，成为 ZnO 材料研究领域的一个新的热点4-5。在制备 ZnO-TFT 的过程中，ZnO 薄膜导电性能的控制是非常重要的一个环节。普通条 件下生长的非故意掺杂 ZnO 薄膜有很高的本征电子浓度，如果用这种 ZnO 薄膜作为 T

4、FT 器 件的沟道层，所得器件一般工作在耗尽模式，即栅极偏压为零时，漏极有较大的电流。而且 当沟道层中的电子浓度过高时，栅极偏压很难将其完全耗尽，影响了 TFT 的工作特性。Y.Kwon 等6报道了利用 P 掺杂 Zn0.9Mg0.1O 薄膜作为沟道层的增强型薄膜晶体管，其中沟道 层薄膜制备采用脉冲激光沉积技术（PLD），并以 HfO2 作为绝缘层。但是由于其栅极和源、 漏电极之间有很大的漏电流，出现栅压升高输出特性曲线右移的现象。本实验以工艺简单、 结构成熟的 SiO2/p-Si 为衬底，在 NH3 和 O2 的混合气氛下，采用激光分子束外延法制备掺氮 ZnO 薄膜，并采用剥离工艺（lift

5、-off）在 ZnO 薄膜上制备源、漏电极，制作了以掺氮 ZnO为沟道层的增强型场效应薄膜晶体管，氮的掺入有效的降低了 ZnO 薄膜中的本征载流子浓 度，热氧化生长的 SiO2 有很好的绝缘性能，使 TFT 表现良好的电学性质。2. 实验过程2.1 绝缘层制备本实验中所用衬底为 P 型硅片，电阻率为 110cm。采用干氧氧化法在硅片 上生长 SiO2 绝缘层，生长温度为 900，SiO2 的厚度为 180 nm。2.2ZnO 沟道层制备-5-将 SiO2/p-Si 衬底放入激光分子束外延设备中，预抽真空系统到 8.810-6 Pa，然后加 热衬底到 600热处理 1h，以除去可能吸附在 SiO

6、2 表面的杂质，调节氧气和氨气的流量比 到 1：1，把两者的混合气体通入真空室，生长时的气压为 110-3 Pa，温度为 400 ，脉冲 激光波长为 248 nm,频率为 3 Hz，单脉冲能量为 100 mJ，生长时间为 150 min，所用靶材为 STMC 公司生产的 ZnO 靶，纯度为 99.999%。用台阶仪测得 ZnO 薄膜的厚度为 120nm。然后在高纯氧气中对 ZnO 薄膜进行退火处理，退火温度为 500 ，时间为 1 h。2.3 剥离工艺制备源、漏电极本实验采用剥离工艺制备 TFT 的源极和漏极，电极金属为 AL，用热蒸发镀膜方式 将 Al 沉积在刻好光刻胶图形的 ZnO/SiO

7、2/p-Si 衬底上，然后在丙酮中超声清洗掉部分铝膜形 成源漏电极图形，导电沟道的长为 25m，宽为 100m，宽长比为 4。源、漏电极制备后， 为增加 AL 和 ZnO 的欧姆接触，整个器件在真空中退火处理 30 min。图 1 给出了 ZnO-TFT 的截面图和俯视图。SiO2：180nmP-Si：110cmZnO：120nmSourceorDrain: Gate: In图 1 ZnO-TFT 的截面和俯视图Fig.1 Schematic diagram(Cross-section and top view) of the ZnO-TFT3. 结果与讨论用飞利浦公司的四晶高分辨 X 射线衍

8、射仪（发散角 515，/=2510-5）对生 长在 SiO2/p-Si 衬底上 ZnO 薄膜的结构进行表征，工作电压为 40 kV,工作电流 40 mA, CuK1 为发射源（波长为 0.15406 nm），扫描范围为 2080(deg)。如图 2 为 ZnO 薄膜的 2- 扫 描结果，图中 69附近的微弱峰是 SiO2 衬底引起的，另外出现了一个很强的 ZnO(0002)衍射 峰和微弱的 ZnO(0004)衍射峰，表明 ZnO 薄膜具有高度的 C 轴择优取向，这是由于生长过 程中 ZnO(0002)晶面具有较低的表面能密度，抑制其它晶面的生长造成的。利用 Scherrer 公 式 Dk/co

9、s 可计算出薄膜中晶粒的平均尺寸，公式中 k 为形状因子(0.89)， 为 X 射线波 长， 为衍射峰的半高宽(FWHM)， 为衍射角。按照上述公式，ZnO 薄膜的平均晶粒大小 为 38 nm。图中右上角是沿 ZnO(0002)晶面的摇摆曲线，其半峰宽度为 1.89，表明 SiO2 衬 底上生长的掺氮 ZnO 仍具有较高的结晶质量7。图 2 ZnO 薄膜的 2- 扫描图和摇摆曲线Fig.2 2- Scan of ZnO film and rocking curve用 KEITHLEY 4200 型半导体特性测试仪对 ZnO-TFT 的电学性质进行测量，图 3 为在无光照条件下测得的结构为 AL

10、/ZnO/SiO2/p-Si TFT 的输出特性曲线，测量时用铟（In）焊接 引线到栅、源、漏电极，源极接地，栅极电压为 VG，漏极为 VD,栅极偏压从 0 伏增加到 25 伏，间隔为 5 伏。从图中可以看到 ZnO-TFT 的栅极偏压对器件的电流有明显的控制作用， 栅极偏压为零伏时，源漏电流 IDS 近似为零，随着栅极偏压正向增加，ZnO 中电子向 ZnO 和 绝缘层界面移动，栅极偏压大于阈值电压后，导电沟道开始形成，沟道电流随着栅极偏压的 增大而增大，表明该晶体管工作在 N 沟道增强模式，随着漏极电压的增加，晶体管由线性 区过渡到饱和区，并表现较好的饱和特性，栅极电压为 25 V 时，漏源

11、饱和电流约达到 38A 左右。由于我们采用了后退火处理工艺，提高了 ZnO 薄膜的结晶质量，减小了由本征缺陷 引起的自由电子，氮离子的掺入也起到进一步补偿作用。我们用该方法研制的 TFT 的工作 电压比 H.S.Bae 报道的同结构的器件要小的多8。图 3 ZnO-TFT 的 IDSVDS 特性曲线Fig.3 IDSVDS Curves of ZnO-TFT图 4 ZnO-TFT 的 IDSVGS 特性曲线Fig.4 IDSVGS Curves of ZnO-TFT薄膜晶体管工作在饱和区时（VDSVGS-VT），栅极电压和漏电流满足如下公式9：I= 1 CW (V V )2（1）DS2ox L

12、GS T其中 IDS 为漏极电流、 为场致迁移率、Cox 为单位面积栅极绝缘层电容、W 为导电沟道宽度、L 为导电沟道长度、VGS 是栅极电压、VT 为阈值电压。该式常用于计算载流子迁移 率。测得 ZnO-TFT 在 VDS20 V 偏压下的 IDSVGS 曲线，并绘出（IDS）1/2VGS 曲线，如 图 4 所示。外推（IDS）1/2VGS 曲线中的线性部分，即得到晶体管的阈值电压为 5.15 V，和 IDS VDS 特性图基本一致。由上图和（1）式计算得到该薄膜晶体管的场迁移率为 2.66 cm2/VS。图中左上角是 log10IDSVGS 曲线，并可以得到 ZnO-TFT 的电流开关比大

13、约为 104 左右。4. 结论用激光分子束外延技术在 SiO2/p-Si 衬底上制备了高质量的掺氮 ZnO 薄膜，用 XRD 和 AFM 对 ZnO 薄膜的结晶质量、表面形貌进行表征，然后用剥离工艺和热蒸发 Al 的方法形 成源漏电极。并对 ZnO-TFT 的电学性质进行了测试，发现该晶体管具有很好的场控电流作 用和夹断特性，工作在 N 沟道增强模式，电流开关比约为 104，阈值电压为 5.15 V，电子的 场迁移率达到 2.66 cm2/VS。参考文献1刘兴明，韩 琳，刘理天.用于室温红外探测的新型非晶硅薄膜晶体管J，激光与红外， 2005，35(10) :709 2H.S.Bae, M.H

14、.Yoon, J.H.Kim, et al. Photodetecting properties of ZnO-based thin-film transistorsJ.Appl. Phys.Lett, 2003,83(25) :53133葛长军，靳在渊，成建波.640640 TFT-AMLCD 有源层的制备J.半导体学报，1999，20(3)：2544D.C.Look. Recent advances in ZnO materials and devicesJ. Materials Science and Engineering B.2001,80(1-3): 3835Z.K.Tang,G.

15、 K.L.Wong, P. Yu, et al. Room-temperature ultraviolet laseremi -ssion fromself-assembled ZnOmicrocrystalline thin filmsJ. Appl. Phys.Lett. 1998,72(25):32706 Y.Kwon,Y.Li,Y.W.Heo, et al. Enhancement-mode thin-film field-effect transistor using phosphorus-doped(Zn,Mg)O channelJ,Appl. Phys.Lett. 2004, 8

16、4(14):26857 Paraguay D M,Estrada D W,Acosta L D R,et al. Growth structure and optical characterization of high qualityZnO thin films obtained by spry pyrolysisJ. Thin Solid Films, 1999, 350:1928 H. S. Bea, and Seongil Im, ZnO-based thin film transistors of optimal device performanceJ. J. Vac. Sci. T

17、echnol. 2004, B22(3):11919 H. H. Hsieh, and Ch. Ch. Wu, Scaling behavior of ZnO transparent thin film transistorsJ. Appl. Phys. Lett.2006, 89: 041109Enhancement mode thin film transistor with nitrogen-dopedZnO channel layer fabricated on SiO2/Si substrateZhang Xinan1,2, Zhang Jingwen1, Hou Xun1,21 K

18、ey Laboratory of photonics technology for information, Shanxi province, Xian JiaotongUniversity, Xian (710049)2 School of physics and photoelectronics, Henan University, Kaifeng (475001)AbstractNitrogen-doped ZnO film was deposited on SiO2/p-Si substrate by L-MBE in the mixed gas of NH3 and O2 .XRD

19、measurement show the film has high crystalline quality and high c-axis preferential orientation even doped with nitrogen. The FWHM of rocking curve of ZnO(0002) plane was only1.89.Followly, A bottom-gate type thin film transistor with nitrogen doped ZnO as the active channel layer and SiO2 severed a

20、s insulator was fabricated. Electrical measurement shows the device operates in enhancement mode and exhibits an on/off ratio of 04. The threshold voltage was 5.15V and the channel mobility on the order of 2.66 cm2/VS has been determined.Keywords：ZnO thin film ; L-MBE; Thin film transistor; Channel mobility