论文部分内容阅读
ZnO压敏材料利用其晶界的肖特基势垒特殊的I-V特性,被广泛用作高技术电子设备,民用轨道交通,超高压输电网等领域的过电流保护部件,用于其稳压和瞬态浪涌抑制。随着超大规模集成电路的发展,ZnO压敏电阻也向着小型化、多功能化、平面化方向发展。最近,本课题组与斯洛文尼亚约瑟夫·斯蒂芬研究所在合作研究中发现ZnO-Ca O-Cr2O3等组成的新体系具有良好的非线性特性,可以改善传统的ZnO-Bi2O3体系具有强挥发性,烧结温度高的问题,但其非线性的产生机制尚未明确,缺乏对其性能进一步改进的理论指导。因此,本论文利用射频磁控溅射法在Si衬底上制备出了高质量ZnO薄膜,并在其上制备了不同组分的氧化物薄膜形成具有清晰界面的双层薄膜,通过其模拟压敏陶瓷的晶界来研究在没有Bi2O3的情况下,其晶界非线性产生的原因,进一步研究了薄膜热处理改性对缺陷和性能的影响,主要研究内容如下:(1)采用射频磁控溅射的方法制备ZnO薄膜,通过优化溅射条件,如溅射功率、沉积气压、衬底温度等,确定最佳工艺参数为沉积气压1.2Pa,溅射功率为100W,衬底温度200℃,Ar流量20cm3/min,在该条件下可制备得到结构优良、表面平整,晶粒分布均匀的ZnO薄膜,所有的薄膜均为c轴取向的六方纤锌矿结构。(2)以商用ZnO压敏陶瓷为靶材,采用射频磁控溅射法来制备,可以得到由ZnO,Bi2O3以及尖晶石相构成,拥有c轴取向生长,非线性系数可高达152.6,压敏电压为8.55V,漏电流为0.2m A的压敏薄膜。(3)通过无铋ZnO及添加剂氧化物可控厚度薄膜的分层制备,获得存在不同界面的双层薄膜。研究了不同界面(ZnO/Ca O,ZnO/Co3O4,ZnO/Cr2O3,ZnO/La2O3)双层薄膜的I-V特性曲线,分析在没有Bi2O3的情况下,其晶界非线性产生的原因。ZnO/Cr2O3薄膜的非线性系数为4.9,压敏电压为12.79V,漏电流为0.57m A,在超大规模集成电路领域有着广阔的应用前景。对其机理分析认为,Cr3+既可进入到晶格中,取代Zn2+,起到施主作用,还会偏析于ZnO晶界处,通过吸附氧来提高晶界肖特基势垒,进而形成良好的非线性的伏安特性。(4)将ZnO和ZnO/Cr2O3薄膜在800℃的条件下进行热处理后,发现薄膜表面原子获得了能量再次迁移,导致晶粒长大,从而使薄膜变得更加致密,晶粒也变得更加光滑,晶粒间的应力增大,晶格参数减小,峰向右移动。同时峰形变得更加尖锐,结晶质量变好。ZnO薄膜在CO+N2气氛下退火后得到的薄膜深能级发射峰较弱,具有较少的缺陷以及较高的结晶质量,导电性能良好。ZnO/Cr2O3薄膜在N2气氛下热处理可获得最佳表面形貌,在O2氛围下热处理,可获得结晶质量最好的薄膜,紫外光发射强度可高达100。这是由于空气中的氧扩散到晶格中,从而使晶体中的氧空位得到补偿而消失,缺陷浓度降低。且在O2条件下热处理的ZnO/Cr2O3薄膜具有最佳的非线性,具有高的应用价值。