SiO2Si 衬底上制备增强型 ZnO 薄膜晶体管

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/V·S。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、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 TFT 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-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<100>硅片，电阻率为 110·cm。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 8.8×10-6 Pa，然后加 热衬底到 600热处理 1h，以除去可能吸附在 SiO2 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 1×10-3 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/SiO2/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 25µm，宽为 100µm，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：110·cmZnO：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 射线衍射仪（发散角 515"，/=25×10-5）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/cos 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/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，漏源饱和电流约达到 38µA 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（VDS>VGS-VT），栅极电压和漏电流满足如下公式9：I= 1 µCW (V V )2（1）DS2ox LGS T其中 IDS 为漏极电流、µ 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/V·S。图中左上角是 log10IDSVGS 曲线，并可以得到 ZnO-TFT 的电流开关比大约为 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/V·S。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.Yoon, J.H.Kim, et al. 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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 Key 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 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 as 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/V·S has been determined.Keywords：ZnO thin film ; L-MBE; Thin film transistor; Channel mobility