（光学工程专业论文）基于薄膜晶体管应用的功能薄膜ain和zno的生长与特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 作为下一代光电子器件，透明电子器件正在国际上引起广泛的关注。透明的 薄膜晶体管( t f t ) 作为当前最具有商业价值的透明电子器件，即将成为有源矩 阵液晶显示( a m l c d ) 和有机发光显示( o l e d ) 的关键技术。目前硅基t f t ( 特 别是非晶硅t f t ) 正面临一系列性能瓶颈：光敏性强、场效应迁移率低以及材料 的不透明性。利用透明的氧化物半导体材料一氧化锌( z n o ) 制备的t f t 可以在 一定程度上克服这些困难。z n o 是一种多功能的宽禁带直接带隙半导体材料，具 有六角纤锌矿型的晶格结构，室温下禁带宽度约为3 3 7 e v ，对可见光的透射率 很高。此外，利用磁控溅射法可以在较低的衬底温度下制备高质量的多晶z n o 薄膜，这对于电子驱动的响应速度是十分有利的。氮化铝( a l n ) 是一类重要的 宽带隙i 一v 族化合物半导体材料，电阻率高，击穿场强大，适合作为绝缘材料 应用于t f t 结构。此外，由于a 1 n 的晶格结构与z n o 相同，所以也可作为生长高 质量z n o 薄膜的缓冲层，并改善z n o a 1 n 界面结构。 本论文中利用射频磁控反应溅射技术在不同的衬底上制备出高质量的a 1 n 和z n o 薄膜，用x 射线衍射仪( x r d ) 、场发射扫描电子显微镜( f e s e m ) 、原子力 显微镜( a f m ) 、傅立叶变换红外光谱仪( f t i r ) 、喇曼光谱仪和紫外一可见分光 光度计等测试手段对沉积薄膜的结构和光学性能进行了表征。结果发现，a 1 n 薄 膜的择优取向与氮氩气压比p 。p 。溅射气压p 。、衬底温度t ；和射频功率p 有很 大关系。在p 。p ，= 3 ：1 ，p - - - - 3 0 0 w ，t 。= 3 0 0 。c ，p 。= 0 5 p a 的条件下，a 1 n 薄膜c 轴择优取向达到最佳；通过引入低温a 1 n 缓冲层，显著增强了i t o 玻璃衬底上沉 积a 1 n 薄膜的c 轴择优取向，在晶粒增大的同时降低了表面平均粗糙度，为生长 高质量的a 1 n 薄膜提供了实验依据；此外，根据包络线法理论，利用透射率曲线 的极值点计算得到可见光波段内a 1 n 薄膜的折射率r l 和消光系数k 。当九= 5 5 4 n m 时，n - - - - 2 0 1 8 7 ，k - - - - 0 0 0 7 7 。 通过对z n o 薄膜的研究发现，工艺参数是影响薄膜结晶性能的关键因素。随 着衬底温度的上升和射频功率的提高，z n o 薄膜( 0 0 2 ) 面衍射峰显著增强，晶 粒尺寸进一步增大；溅射气压升高，( 0 0 2 ) 面衍射峰先增强后减弱，这主要是由 浙江大学硕士学位论文 溅射粒子在衬底表面沉积时的能量所决定的。z n o 薄膜的最优生长条件为：p = 2 0 0 v ，p s = 1 o p a ，t 。= 3 0 0 ，p 。p 。= 1 2 。从z n o 薄膜的a f m 图中可以看出， 薄膜表面由很多大小均匀，近六边形的晶粒紧密排列而成，晶粒沿着垂直于衬底 表面的c 轴呈柱状生长。此外，利用f o r o u h i - - b l o o m e r 色散模型，通过拟合透 射率曲线，得到了k 9 玻璃上沉积的z n o 薄膜的折射率。在九= 6 3 3 n m 处，n = 1 9 8 9 ，和文献中报道的结果是一致的。 关键词：透明电子器件；薄膜晶体管；z n o ；a 1 n ；磁控溅射 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s p a r e n te l e c t r o n i c s a r en o w a d a y sa ne m e r g i n gt e c h n o l o g yf o rt h en e x t g e n e r a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h em o s tc o m m e r c i a l l yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n f o rt r a n s p a r e n te l e c t r o n i c ss e e m st ob e 懿at r a n s p a r e n tt h i nf i l mt r a n s i s t o r ( t f df o r a c t i v e - m a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( a m l c d ) a n do r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ( o l e d ) t f tb a s e do ns it e c h n o l o g y ( e s p e c i a l l yt h ea m o r p h o u ss i l i c o n ) a c t u a l l y p r e s e n ts o m el i m i t a t i o n sl i k e ：l i g h ts e n s i t i v i t y ，l o wf i e l de f f e c tm o b i l i t ya n do p a c i t y o n ep o s s i b l ew a yt oo v e r c o m es u c hp r o b l e mi st h eu t i l i z a t i o no ft r a n s p a r e n to x i d e s e m i c o n d u c t o rb a s e dt r a n s i s t o r s ，w h i c hh a v er e c e n t l yb e e np r o p o s e du s i n ga sa c t i v e c h a n n e li n t r i n s i cz i n co x i e d ( z n o ) z n oi saw i d ed i r e c tb a n dg a pr 3 3 7 e va tl o o m t e m p e r a t u r e ) s e m i c o n d u c t o rw i t hah e x a g o n a lw u r t z i t es t r u c t u r e i ti st r a n s p a r e n ti n t h ev i s i b l er e g i o no f t h es p e c t r a t h em a i na d v a n t a g eo f u s i n gz n od e a l sw i t l lt h ef a c t t h a ti ti sp o s s i b l et og r o wa tr e l a t i v el o wt e m p e r a t u r eh i g hq u a l i t y p o l y c r y s t a l l i n ez n o f i l m sb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，w h i c hi sap a r t i c u l a ra d v a n t a g ef o re l e c t r o n i cd r i v e r s ， w h e r et h er e s p o n s es p e e di so fm a j o ri m p o r t a n c e a l u m i n u mi l i t r i d er a l n ) i sa n i m p o r t a n tw i d eb a n dg a pi i i - vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r t h ew i d eb a n dg a po f 6 2 e v , h i g hr e s i s t i v i t ya sw e l la st h el a r g ed i e l e c t r i cs t r e n g t ho fa 1 nf i l m sm a k et h e m m o r gs u i t a b l ea si n s u l a t i n gl a y e r si nt f ts t r u c t u r e s i na d d i t i o n a l nh a st h es a n l e s t r u c t u r ea sz n o ，w h i c hm a k e si ta st h eb u f f e rl a y e rt og r o wh i g h q u a l i t yz n ot h i n f i l ma n di m p r o v et h ei n t e r f a c es t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , a 1 na n dz n ot h i nf i l m sw i t i lh i g hq u a l i t yh a v eb e e nd e p o s i t e do n v a r i o u ss u b s t r a t e sb yr a d i of r e q u e n c y ( r e ) r e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e m i c r o s t r u c t u r a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e p o s i t e df i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db y x - r a yd i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) ，f i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( f e s e m ) ， a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) ， i a m u ns p e c t r o s c o p ya n ds p e e t r o p h o t o m e t e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r e f e r r e d o r i e n t a t i o no fa i nf i l m sw a si n f l u e n c e db ym a n yd e p o s i t o np a r a m e t e r ss u c ha s p n 2 p a t , s p u t t e r i n gp r e s s u r ep s ，s u b s t r a t et e m p e r a t u r et sa n dr fp o w e rp a tt h e c o n d i t i o no f p n 2 p a t = 3 1 ，p s = 0 5 p a ，t s = 3 0 0 a n dp = 3 0 0 w t h ea i nf i l m ss h o w e d a ne x c e l l e n tp r e f e r r e do r i e n t a t i o na l o n gt h eca x i s w i t ht h ei n t r o d u c t i o no f l o w - t e m p e r a t u r ea 1 nb u f f e rl a y e r s ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fa l nf i l m sd e p o s i t e do ni t o g l a s ss u b s t r a t e sw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d 、v i t he n h a n c e dc - a x i sp r e f e r r e do r i e n t a t i o n i n c r e a s e d g r a i ns i z ea n ds m o o t h e n e dm o r p h o l o g y a d d i t i o n a l l y , a c c o r d i n gt ot h e i i i 浙江大学硕士学位论文 e n v e l o p em e t h o d ，t h er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tw e r ec a l c u l a t e d b ys e v e r a le x t r e m ai nt h et r a n s i m i s s i o ns p e c t r u mo fa 1 nf i l md e p o s i t e do nk 9g l a s s s u b s t r a t e ，w h i c h w e r e r e s p e c t i v e l y 2 0 1 8 7a n d 0 0 0 7 7a t t h e w a v e l e n g t h o f 5 5 4 n l n i tw a sf o u n dt h a tt h ec r y s t a l l i n eq u a l i t yo fz n of i l m sw a sa f f e c t e dg r e a t l yb yt h e d e p o s i t i o np a r a m e t e r s 1 1 1 e ( 0 0 2 ) d i f f r a c t i o np e a ko fz n of i l m sw a so b v i o u s l y e n h a n c e dw i t ht h ee l e v a t i o no fs u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n dt h ei n c r e a s ei nr fp o w e r , w h i c ha l s or e s u l t e di nl a r g e n e dg r a i n s n eb e s tf a b r i c a t i o nc o n d i t i o no fz n of i l m s w a s p = 2 0 0 w ，p s = 1 0 p a ，t s = 3 0 0 ，p 0 2 p a r = 1 2 i tc a nb es e e nf r o mt h ea f m i m a g e st h a tt h ez n of i l m sp r e s e n t e dad e n s e l y p a c k e d ，p e b b l eo rc e l l l i k es u r f a c e a p p e a r a n c ew i t hc o l u m n a rg r o w t hc r y s t a l sp e r p e n d i c u l a rt ot h es u b s t r a t es u r f a c e i n a d d i t i o n ，t h et r a n s m i s s i o nc u r v ew a sf i t t e dw i t ht h ed i s p e r s i v em o d e lp r o p o s e db y f o r o u h ia n db l o o m e rt od e t e r m i n et h er e f r a c t i v ei n d e xo fz n of i l m t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h er e f r a c t i v ei n d e xa tt h ew a v e l e n g t ho f6 3 3 n mw a sa b o u t1 9 8 9 w h i c h w a si ng o o da g r e e m e n tw i mt h a tp r e v i o u s l yr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e k e y w o r d s ：t r a n s p a r e n te l e c t r o n i c s ；t f t ；a 1 n ；z n o ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1氧化锌薄膜晶体管( z n o t f t ) 随着p 型透明氧化物半导体材料c u a i o 。、s r c u ：0 。、l a c u o s 的发现和材料合成 技术上的突破，透明电子器件的研究逐渐引起国内外科研人员的重视。透明电子 器件要求电路透明，而实现透明电路的关键是制备透明的薄膜晶体管( t f t ) 。在 过去的十年中，非晶硅t f t 和多晶硅t f t 成为电子平板显示工业中的关键器件。然 而，这些硅基t f t ，特别是非晶硅t f t ，存在一些先天的物理障碍：如光敏性高， 场效应迁移率偏低( 1c m 2 v s ) 以及材料的不透明性，使其在实现大屏幕高分 辨率显示方面存在难以克服的困难。1 ；基于有机半导体材料( 如并五苯) 的t f t ， 其制备方法简单，温度要求低，可以在聚合物基片上制备，从而得到重量轻，价 格低廉的柔性器件。此外，有机半导体材料还可以通过分子修饰来改变材料性能， 因此可以根据器件性能的要求，设计不同的材料。1 。虽然有机t f t 应用前景广阔， 但是也面临不少问题，常温下有机材料的场效应迁移率远小于无机材料，同时晶 体管的饱和电流也比较小，这些都限制了有机t f t 在实际中的应用。 与上述硅和有机半导体相比，氧化物半导体材料由于禁带宽度大和导电能力 可控，近年来在功能器件中的应用越来越广泛和深入。z n o 是一种多功能的宽禁 带化合物半导体材料，具有六角纤锌矿型的晶体结构。室温下禁带宽度约为 3 3 7 e v ，在可见光波段具有较高的透射率。同时，z n o 作为一种氧化物半导体， 可以在较低的温度下，以高质量的薄膜形式沉积在不同的衬底( 如硅片，玻璃和 塑料) 上。利用z n o 作为t f t 的半导体层，不仅可以在低温下制备透明的柔性器 件，还可以获得电学性能与非晶硅t f t 相当，甚至优于其的t f t ，这在很大程度 上拓宽了透明薄膜晶体管( t t f t ) 的应用领域。首先，利用t t f t 作为有源矩阵 液晶显示器( a m l c d ) 和有机发光显示器( o l e d ) 的象素开关元件可以显著地提 高显示响应时间，使显示器具有更高的对比度和色彩饱和度“1 ；其次，将基于t t f t 技术的电子器件嵌入房屋和交通工具的玻璃中，有利于研制出全新信息传输方式 的系统；此外，在聚合物基片上成功制备出t t f t 使得大面积柔性电子器件的实 现取得重大突破。相信在不远的将来，“p a p e rd i s p l a y ”和“w e a r a b l ec o m p u t e r ” 浙江大学硕士学位论文 将会出现在人们的日常生活中。 1 1 1t f t 的结构及工作原理 t f t 是一种利用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管。场效应晶体管 是现代电子学中应用最广泛的器件之一，它的工作过程和电子管十分相似，是电 压控制器件，即利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。通常的t f t 主要由基板、栅电极、栅绝缘层、半导体有源层、欧姆接触层、源漏电极及保护 膜等组成。 图1 1t f t 结构示意图 f i g 1 lt h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft v rs t r u c t u r e 对于如图l 一1 所示的t f t ，当在栅极和源极问加上电压v 。 o 时，沟道表面开 始积累电子，当v g 。大于或者等于阈值电压v ，时，在源区和漏区之间就形成了n 型 沟道；当u 。 i 。而整个沟道电流i , s = i 。+ i 。所以i 。= i 。id s 当晶体管 处于“o f f ”态时，v g 。幅度很小且为负值，则有v 。 v g 。，此时沟道为关断状态，无 论表面积累的是电子还是空穴，均不能流过。此时i 。a o ，则io = i 。一i 曲。由此 可见，导通电流i 。和截止电流i 。，几乎分别取决于i 。和i 。 浙江大学硕士学位论文 1 ，1 2z n o t f t 的研究现状 目前对z n o t f t 的研究主要面( 司a m l c d5 1 j d o l e d 的象素开关元件的应 用。t t f t 作为a m l c d 和o l e d 的显示驱动，不仅要求可见光波段较高的透射率， 还需要高的1 - t 。和i i 。这就要求t f t 的半导体材料同时具备宽带隙和良好的导 电性。因此，过去三年内的研究主要集中于改进t f t 材料的制备工艺和优化t f t 的器件性能( 光学性能和电学性能) 。本节分别从t f t 材料的选取、z n o 薄膜的制 各和特性研究及t f t 器件的制各和特性研究三个方面对目前的研究工作进行了详 细阐述。 1 t f t 材料的选取 t f t 主要由基板、绝缘层、有源层和电极( 源、漏、栅) 组成。基板材料一 般采用塑料、玻璃或单晶硅片。塑料基板成本低、可弯越，但是不耐高温，这在 很大程度上限制了其它材料的选取和制备，一般用于在低温下制备柔性t f t ：硅 片除可用作基板，在底栅t f t 结构中还可以充当栅极，但是硅片不透明，不符合 t t f t 的要求所以硅基z n o t f t 一般用于紫外光探测器；玻璃是一种透明的基 板材料，因此在t t f t 结构中得到了广泛的应用。常用的绝缘层材料有s i o 。、s i n 。“1 、 a t o 叫( e h a l 。0 。和t i 0 ：组成的超晶格) 等。绝缘层材料除了要求介电常数大，保证 良好的绝缘性，还要尽量减少绝缘层一半导体层界面的缺陷态，防止z n 原子从界 面扩散至绝缘层而破坏其绝缘性。透明导电膜由于兼有良好的导电性和高透明度 广泛地应用于透明电极，成为t t f t 最佳的电极材料。目前使用较多的有i t o 。1 、 g z o ( 掺杂g a 的z n o ) 和a z o ( 掺杂a l 的z r l o ) 。 作为t f t 的半导体层材料，可以采用本征z n o “”，也可以对z n o 进行适当地掺 杂m 。在z n o 薄膜中掺入g a 、a l 、i n 等杂质，可以显著地提高薄膜中的载流子浓 度，降低薄膜的电阻率，但是较多的掺杂会引起晶格畸变，导致界面态增加，使 增加的载流子被俘获；此外，掺杂造成的晶格畸变和无序，使晶界散射和电离散 射增加，从而导致载流子迁移率下降。因此，一般选用未掺杂的z n o 作为t f t 的半 导体层。 2 z r t o 薄膜的制备和特| 生研究 z n o 薄膜常用的制各方法有磁控溅射、脉冲激光淀积( p l d ) 、分子束外延( m b e ) 4 浙江大学硕士学位论文 和金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 等。不同的制备技术及工艺参数对z n o 薄膜 的结晶取向、表面平整度以及光电、压电特性影响很大。利用反应磁控溅射技术 可以制备出具有c 轴择优取向的多晶z n o 薄膜，通过优化工艺参数( 溅射功率、氧 分压、溅射气压和衬底温度) 可以提高薄膜的结晶质量，从而改善z n o 薄膜的电 学性能( 包括电阻率、载流子浓度、霍耳迁移率) 。实验发现”1 ，随着溅射功率 p 的提高，z n o 薄膜的电阻率p 先增大后减小，表明存在一临界功率p c ，当p = p 。 时p 最大，此功率下生长的z n o 薄膜中缺陷较少，z n 原子和0 原子接近理想的化学 计量比，所以薄膜表现出半导体行为，p 较大；当p 大于或小于p 。时，z n 原子和0 原子化学计量比偏离理想值，导致薄膜中出现大量缺陷态( 填隙z n 原子和氧空 位) ，载流子浓度增加，薄膜的电导率明显提高。由于缺陷态会俘获载流子，载 流子浓度随之减小，所以p 不会无限减小。 相对于多晶z n o 来说，单晶z n o 薄膜具有更高的结晶质量，而且表面缺陷密度 低，因而具有较高的载流子迁移率。日本东京工业大学一科研小组利用反应固相 外延技术( r s p e ) 实现了掺杂i n 和g a 的z n o 薄膜i n g a 0 3 ( z n o ) 。“2 1 的单晶生长，如 图1 3 所示，i n g a 0 3 ( z n o ) s 是一种沿着( 0 0 0 1 ) 轴i n o ：一和g a o ( z n o ) 。交替堆积的周 期性层状晶格结构，其中i n 。0 。作为防止氧扩散的阻挡层可以有效抑止氧空位的产 生。这种单晶结构的i n g a 0 3 ( z n o ) 。导电沟道减少了由晶格缺陷或杂质造成的散射， 而且薄膜的界面之间也较为平滑，对于电子在其中的移动造成较少的阻力。除此 之外，由于薄膜中载流子浓度较低( m 1 0 “c m “) ，这意味着只有较少的离子化杂 质，电子受其影响的碰撞几率也大为降低，所以得到了较高的u 。 图1 3i n g a 0 3 ( z n o ) s 超晶格结构 f i g 1 - - 3t h es u p e r l a t t i c es t r u c t u r eo fi n g a o a ( z n o ) 5 浙江大学硕士学位论文 作为导电沟道的z n o 薄膜的电学性能直接影响着z n 0 一t f t 器件的电学性能， 前文中提到，当t f t 处于“o f f ”态时，i 。取决于i 曲，而i n s 是由半导体薄膜的背 景载流子浓度所决定的，如果z n o 沟道内载流子浓度很高，相应的i 一也很大，器 件就会处于“n o m a l l yo n ”状态，r p t f t 将不再适用于象素开关元件；反之，根 据l e v i n s o n 的多晶t f t 模型得出载流子浓度和迁移率之间的关系，如果沟道内载 流子浓度较低，载流予迁移率也会随之减小，将会影响器件的响应速度。因此， 通过改进z n o 薄膜的生长工艺或采用离子注入改变薄膜的电学性能，得到合适的 背景载流子浓度的导电沟道成为进一步的研究方向。 3 t f t 器件的制备和特i 生研究 图1 4 为两种常见的t f t 器件结构：( a ) 为项栅极型t f t ，源极、漏极和栅极 位于有源层同一侧，且栅极在有源层上方；( b ) 为底栅极型t f t ，栅极位于衬底 和绝缘层之间，而源极和漏极则位于有源层上方。除了材料的选取，器件结构和 尺寸也影响着t f t 的性能。研究表明：( 1 ) 增加导电沟道的宽长比( w l ) 可以 提高沟道电流i 吲( 2 ) 绝缘层越薄，工作电压越低；( 3 ) 减小栅电极面积可以 降低栅极漏电流。 ( a ) t o p 唱a i et y p ct f t d厅 a c t i v e c h t n a e l i n z u i l t o r g - t e s u b s t r a t e ( b ) b o t t o m - g a t et y p et f t 图1 4 两种常见的t 丌结构 f i g 1 - - 4t w ot y p i c a ls t r u c t u r e so ft f t s t f t 的器件特性包括光学特性和电学特性。其中光学特性主要是t f t 在可见 光波段的透射率，目前得到的z n 0 一n 叮器件的平均透射率约为8 0 左右。此外， 可见光对t f t 的电学性能几乎没有影响，而紫外光照射则会产生持续的光电导效 应，因此z n o t f t 也可以用作紫外光探测器。影响t f t 器件电学性能的参数包 括u 。i 。i 。、v r 和g 。，其中最重要的参数是u 。提高u 。，t f t 可以获得更高 的驱动电流和更快的响应速度。然而，影响p ，。的因素很复杂，沟道中的载流子 6 浙江大学硕士学位论文 除了受到与薄膜体内相同的声子散射和电离杂质散射以外，还受到粗糙表面及绝 缘层中的固定、可动电荷等离子散射。此外，界面附近的杂质密度和表面电场也 会影响u 。因此，不断的改进z n o 薄膜的生长工艺，通过对材料性能和器件性 能的比较分析，获得最优化性能的z n o t f t ，成为目前研究的重点工作。表1 一l 列举了从2 0 0 2 - - 2 0 0 4 年中z n o t f t 的研究工作。 表1 - - i2 0 0 2 2 0 0 4 年z n o t f t 的研究工作 t a b l e l 一1t h er e s e a r c ho fz n o t f tf r o m2 0 0 2t o2 0 0 4 g r o u p d a t ea c t i v ec h a n n c l v t ( v )p ( c m z n s )l 。i 。口t ( ) s a t o s h im a s u d a2 0 0 2 1 1z n o- 100 9 7 1 0 5 8 0 h i t o s h in b e t a p l d 4 5 0 c d e p i c t i o nm o d e r l h o f f r a a n2 0 0 2 1 2i z n 01 0 2 0 vn 0 3 2 51 0 77 5 b _ jn o r r i s i b s r t e n h a n c e m e n t j f w a n g e r pf - c a r e i a2 0 0 2 1 2z n o 0 2 l0 6 8 0 扎s m c l e a n r f s n e a rr t k e n j in 0 m u m 2 0 0 3 4 l n g a 0 3 ( z n o ) 5 8 01 0 6 8 0 r s p e r t e n h a n c e m e n t m o d e h s b 2 0 0 4 5z n o30 61 0 6 ， s e o n g i l1 m r f s 1 0 0 d e p | c t i o nm o d e e f o r t u n a t o2 0 0 4 6z n o1 87 01 0 58 4 a p i m e n t e l r f s r t e n h a n c e m e n t e l v i r am cf o r t u n a t o2 0 0 4 1 0z n o2 l2 01 0 58 0 p e d r om cb a r q u i n h a r f s r t e n h a n c e m e n t m o d e k a n i in o i t l t l m 2 0 0 4 1 0a i g z ol66 91 0 】 8 0 p l d r t e n h a n c e m e n t m o d e 综上所述，利用透明的氧化物半导体材料z n 0 作为t f t 的导电沟道，可以制备 高性能的t f t 。z n o _ - t f t 作为象索开关元件，将会在未来成为a m l c d 乖i o l e d 的关键 技术。并且，随着z n o 薄膜p 型掺杂和结型材料的实现，利用z n 0 一t f t 制备的柔性 电子器件“3 1 集成在现有的光电器件上，将会大大推动柔性电子技术的发展。 浙江大学硕士学位论文 1 2 半导体光电材料z n 0 z n o 是一种具有优良的压电和光电特性的半导体材料，制各原料廉价易得， 具有很高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。此 外，z n o 薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提 高薄膜质量，也易于实现掺杂。z n o 薄膜所具有的这些优异特性，使其在表面声 波器件、透明电极、太阳能电池、压电转换器、气敏传感器等诸多领域得到了广 泛应用。随着z n o 光泵浦紫外受激辐射的获得“”和p 型掺杂的实现“，z n o 薄膜 作为一种新型的光电材料，在紫外探测器、l e d s ，l d s 等领域也有着巨大的发展 潜力。1 9 9 9 年1 0 月，在美国召开了首届z n o 专题国际研讨会，会议认为“目前 z n 0 的研究如同s i 、g e 的初期研究”。世界上逐渐掀起了z n o 薄膜研究开发应用 的热潮n “。 1 2 1 z n o 的晶体结构和特性 z n o 是种新型的i i 族化合物半导体，属于六方晶系6 m m 点群，具有六角 纤锌矿型晶格结构( 如图1 5 所示) ，适合于高质量的定向外延薄膜的生长。它 在常温下的禁带宽度是3 3 7 e v ，是翅型的直接带隙宽禁带半导体，密度为 5 5 7 9 c r a 3 ，晶格常数a = o 3 2 4 9 n m ，c ；o 5 2 0 6 n m 。在六角z n o 晶体中，每个锌原 子都被位于近四面体顶点位置的四个氧原子所包围，同样每个氧原子也被四个锌 原子包围，原子按四面体排布。在晟近邻的四面体中，平行于c 轴方向的氧原子 和锌原子之间的距离为0 1 9 5 n m ，而其它三个方向为0 1 9 8 n m 。表1 2 列出了其基 本物理性能参数。 本物理性能参数。 塑垩查兰婴主兰壁堡兰 a 图1 - - 5z n 0 晶体结构示意图 f i g i - - 5t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fz i n co x i d e 表1 - 2z n o 的基本性能参数“7 1 t a b l e1 2t h eb a s i cp r o p e r t i e so f z i n co x i d e p r o p e r t i e s 、，甜t i e m o l e c u l a rw e i g h t8 1 3 8 9 d e n s i t y ( g e m ) 5 6 4 2 m e l t i n gp o i n t ( ) 1 9 7 5 s p e c i a lh e a t ( c a l ，g m ) 0 1 2 5 t h e r m a l - e l e c t r i cc o n s t a n t ( m w k ) 1 2 0 0 ( a t3 0 0 k ) e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y c m )1 0 l i n e a rt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ( k 1 ) 4 7 5 ( a - a x i s ) ，2 9 2 ( c - a x i s ) m o h sh a r d n e s s4 5 t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( w c m k ) 1 1 6 0 0 8 ( z n f a c e ) ，1 1 0 0 0 9 ( 0 f a c e ) s h e a rm o d u l u s ( g p a )4 5 b a n d g 印( e v ) 33 7 e x e i t o nb i n d i n ge n e r g y ( m e v )6 0 r a d i a t i o nr e s i s t a n c e 2 m e v , 12 1 0 ”e l e e t r o n s c m 9 浙江大学硕士学位论文 1 2 2z n o 薄膜的应用 z n o 作为一种光电和压电相结合的材料，具有广泛的应用，概括起来主要有 以下几个方面： ( i ) 表面声波器件 作为一种压电材料，z n o 以其所具有较高的机电耦合系数和低介电常数，使 其在超声换能器b r a g g 偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关及微机械 上有相当广泛的用途“”。这些器件在大容量、高速率光纤通信的波分复用、光纤 相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等民用 及军事领域的应用也非常广泛。随着通信技术的发展及通信流量的增加，在较低 频率通信量已趋饱和，使得通信频率向高频发展，同时移动通信也要求具有更高 的频率。在高于1 5 g h z 的频率范围内，具有低损耗的高频滤波器成为移动通信系 统的最关键部件之一。而z n o 是制作这种高频表面声波器件的首选材料。目前， 日本村田公司已在蓝宝石衬底上外延z n o 薄膜制作出低损耗的1 5 g h z 的射频s a w 滤波器，目前正在研究开发2 g h z 的产品“。 ( 2 ) 紫外探测器 利用z n o 的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外探测器”“1 ，它可用于科研、 军事、太空、环保等工业领域中的紫外线探测，也可监测大气臭氧层对紫外线的 吸收，应用十分广泛。早期的研究表明，z n o 的瞬态光电导包括快速和慢速两个 过程。“：表面态氧俘获非平衡空穴产生电子一空穴对的过程及氧吸收和解吸过 程，后者起主要作用，尤其是在慢速瞬态光电导中更是如此。“。h f a b r i c i u s 等 人利用溅射生长的z n o 薄膜制作出上升时间和下降时间分别为2 0 us 和3 0 1 1s 的紫外光探测器“”，而l y i n g 等人利用m o c v d 制备出高质量的z n o 薄膜，并使 上升时间和下降时间分别下降为ius 和1 5us ，大大提高了器件的质量。”。 ( 3 ) 太阳能电池 z n o 薄膜尤其是掺a 1 的z n o 薄膜( z n o ：a i ) ，在可见光区具有很高的透射率， 且电导率接近半金属，其透明导电性能可与i t o ( i n 。0 。：s n ) 膜相比。而且相 对i t o 膜，z n o ：a l 薄膜无毒性，价廉易得，稳定性高，正逐步成为i t o 薄膜的 替代材料，在平板显示和太阳能电池等领域得到应用。 z n o 主要用于太阳能电池的透明电极和窗口材料，且z n o 受高能粒子辐射损 i o 浙江大学硕士学位论文 伤较小“”，因此特别适合于太空中使用。 ( 4 ) 缓冲层 z n o 作为缓冲层和衬底也得到有效应用。近年来，国际上十分关注o a n 及相关 的i i i v 族材料的研究。在这些材料的生长中，由于衬底材料与g a n 的晶格常数 和热膨胀系数之间存在较大的差异，使得衬底与外延层的交界处出现大量的失配 位错，这些位错有一部分会延伸到外延层表面，使外延层表面的位错密度增大， 从而影响外延层质量。因此，要生长高质量的g a n 材料及其合金如i n 。一，g a , n ， a 1 n g a ，n 还是有相当大的难度，而利