p型金属氧化物CuAlO2薄膜晶体管制备及性能研究

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在过去的几十年中,由于金属氧化物薄膜晶体管(TFT)具有优异的电学性质和高的可见光透明度等优点,而被广泛的应用于下一代有源矩阵液晶显示器,有机发光二极管显示器和其他新兴应用电子电路。但是目前,具有高性能的氧化物薄膜晶体管主要由n型材料制备,如ZnO-TFT,SnO2-TFT、In2O3-TFT、InGaO-TFT、IGZO-TFT等。p型氧化物半导体材料的种类较少且难以制备出高质量的薄膜,与n型氧化物TFT相比,对p型氧化物TFT远远落后于n型氧化物TFT,这很大程度上限制互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的制备。根据价带化学修饰(CMVB)理论,铜铁矿家族CuMO2(M=Al,Ga或Cr)材料具有p型电学性质。由于CuAlO2具有许多特殊的电学,光学,热电和光催化等性能,自1997年首次成功制备以来就受到了广泛关注。尽管CuAlO2薄膜受到越来越多的关注,但是关于以CuAlO2薄膜作为沟道的薄膜晶体管的研究却鲜有报道。所以对CuAlO2-TFT的研究是非常必要的。本文分别使用溶胶凝胶法和磁控溅射法两种方法来制备CuAlO2薄膜,然后以CuAlO2薄膜为沟道层来分别制备CuAlO2-TFT。研究干燥温度、退火温度,不同沟道层厚度等因素对CuAlO2-TFT电学性质的影响。研究内容主要包括以下三项:(1)使用溶胶凝胶的方法,在SiO2/Si或石英玻璃衬底上制备CuAlO2薄膜。通过对薄膜表征发现:本实验制备的CuAlO2薄膜,在350℃和400℃进行干燥制备的薄膜有利于CuAlO2的结晶,在氮气气氛条件下经过1000℃退火处理的CuAlO2薄膜,在可见光范围内具有较高的光学透过率,较宽的禁带宽度(Eg=3.7eV),较大的晶粒尺寸和平整的表面。(2)利用溶胶凝胶法制备结构为Si/SiO2/CuAlO2/Cu的底栅式TFT,研究了干燥温度、退火温度和沟道层厚度对器件各项性能参数的影响。通过电学性能表征,以重复旋涂4层(厚40nm),在350℃干燥和1000℃退火后的薄膜为器件的沟道层时,得到性能优化的TFT,这些结果表明,TFT性能强烈依赖于CuAlO2沟道层的结晶性和表面形态。(3)采用磁控溅射法,在SiO2/Si衬底上制备CuAlO2薄膜,通过对薄膜的表征,优化薄膜的制备条件,最好的生长参数为:室温、本地真空为5×10-4Pa;氧氩比为5:50;功率为70W,溅射起压为2Pa。通过表征发现,在此条件下沉积,然后经过不同温度退火的CuAlO2薄膜,在900℃退火的CuAlO2具有优化的薄膜性能,即在可见光范围内具有较高的光学透过率,较宽的禁带宽度,较大的晶粒尺寸和平整的表面。并且在优化的实验条件下制备CuAlO2-TFT;在900℃条件下得到性能较好的CuAlO2-TFT。
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