溶液处理纳米晶 p 型 CuAlO2 薄膜晶体管的制备和表征
摘要
p的发展 型金属氧化物薄膜晶体管 (TFT) 远远落后于 n 型对应。在这里,p 采用旋涂法沉积-型CuAlO2薄膜,并在氮气氛中不同温度下退火。系统地研究了后退火温度对薄膜的微观结构、化学成分、形貌和光学性能的影响。当退火温度高于 900°C 时,实现了从 CuAl2O4 和 CuO 的混合物到纳米晶 CuAlO2 的相转变,并且薄膜的透射率、光能带隙、晶粒尺寸和表面粗糙度随着温度的增加而增加。退火温度。接下来,底门 p 在 SiO2/Si 衬底上制造具有 CuAlO2 沟道层的 型 TFT。发现TFT性能强烈依赖于沟道层的物理性质和化学成分。优化后的纳米晶 CuAlO2 TFT 的阈值电压为 − 1.3 V,迁移率为 ~ 0.1 cm 2 V −1 s −1 , 电流开/关比 ~ 10 3 .这份关于解决方案处理的 p 的报告 型CuAlO2 TFTs代表了在低成本互补金属氧化物半导体逻辑电路方面取得的重大进展。
背景
在过去的几十年中,金属氧化物薄膜晶体管 (TFT) 因其优异的电性能和优异的电性能而被广泛研究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电子电路应用。出色的光学透明度 [1, 2]。然而,迄今为止报道的大多数金属氧化物 TFT 都集中在 n 型材料 [3]。 p 型氧化物半导体通常以局部氧2p为特征 具有大电负性的轨道、氧空位的自补偿以及氢作为无意供体的结合。因此,很难实现有效的空穴掺杂[4]。到目前为止,只有几个p 型氧化物材料(Cu2O、CuO、SnO 等)被证明适用于 TFT 应用 [5, 6],但它们的性能远远落后于 n 型对应。这限制了所有氧化物 p-n 的发展 结和互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路。
获得良好的p 型金属氧化物,改变能带结构并降低氧离子对空穴施加的库仑力至关重要。从而激发了一组 p 的发现 型铜铁矿氧化物,例如 CuMO2(M=Al、Ga、In)和 SrCu2O2 [7, 8]。其中,CuAlO2 具有~ 3.5 eV 的宽带隙,其价带最大值由氧轨道与 3d 10 的大杂化决定 Cu 1+ 中的电子 封闭壳,导致色散价带。同时,封闭壳的阳离子 (d 10 s 0 ) 有利于实现高光学透明度,因为这种电子结构可以避免从所谓的 d-d 跃迁中吸收光。因此,它自 1997 年首次制造以来就引起了相当大的关注 [9]。然而,只有少数报告关注p 型 TFT 使用 CuAlO2 作为沟道层。主要困难是结晶度差和杂质相,例如 Cu2O、CuO、Al2O3 和 CuAl2O4。首次报道采用磁控溅射法制备CuAlO2 TFT,该器件的电流开/关比为8 × 10 2 以及 0.97 cm 2 的空穴迁移率 V −1 s −1 [10]。然而,磁控溅射需要严格的高真空环境和复杂的操作工艺。相比之下,溶液处理方法具有明显的优势,例如简单、低成本、可调成分和大气处理。在这项工作中,我们提出了一种制备 CuAlO2 薄膜的溶液途径。系统研究了退火温度对薄膜微观结构、化学成分、形貌和光学性能的影响。最后,使用获得的纳米晶 CuAlO2 薄膜作为沟道层制造底栅 TFT,它们的迁移率约为 0.1 cm 2 V −1 s −1 ,阈值电压为- 1.3 V,电流开/关比为~ 10 [3]。
方法/实验
前体制备和薄膜制造
以三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)和九水合硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)为原料,通过旋涂法制备了CuAlO2薄膜。两种金属盐的摩尔比为1:1,每种盐在乙二醇甲醚中的浓度为0.2mol/L;加入乙酰丙酮以形成深绿色的稳定溶液。整个混合过程在搅拌下在 80°C 水浴中进行。在薄膜沉积之前,用丙酮、乙醇和去离子水在每种溶液中超声清洗基材 5 分钟。然后,最终前体以 500 rpm 的低转速旋涂 9 秒,然后以 5000 rpm 的高转速旋涂 30 秒。旋涂后,基板在 350°C 下退火 20 分钟。从涂覆到退火的过程重复四次,直到达到所需的膜厚度(~ 40 nm)。最后,将沉积后的薄膜在氮气气氛中在 700-1000°C 下退火 2 小时,然后在相同气氛下冷却至室温。
CuAlO2 TFT 的制造
具有底栅结构的 CuAlO2 TFT 制作在 SiO2/Si 衬底上。三百纳米厚的 SiO2 作为栅极电介质。在 CuAlO2 薄膜沉积之后,50 nm 金源/漏电极通过阴影掩模热蒸发到沟道层上。蒸发速率为 0.08 nm/s,通道宽度 (W) 和长度 (L) 分别为 1000 μm 和 100 μm。最后在Si衬底上焊接一层铟层作为背栅电极。
薄膜和 TFT 表征
通过X射线衍射(XRD,DX2500)和CuKα辐射(λ =0.154 纳米)。拉曼光谱由 Renishaw-1000 用固态激光器 (633 nm) 测量。用扫描电子显微镜(SEM,JSM-5600LV,JEOL)和 Veeco Dimension Icon 原子力显微镜(AFM)测量表面形态。 X 射线光电子能谱 (XPS) 在 Thermo Scientific Escalab 250 Xi 光谱仪上进行。在将膜表面蚀刻约 3 nm 以最小化表面污染后收集 XPS 光谱。通过紫外-可见分光光度计(Varian Cary 5000)测量光学透射率。电气特性由半导体参数分析仪(Keithley 2612B)测量。
结果与讨论
图 1a 显示了在不同温度下退火的 CuAlO2 薄膜的 XRD 图案。对于在 700°C 下退火的薄膜,仅在 35.8° 和 38.9° 处观察到微弱的 CuO 相衍射峰,表明 700°C 不足以形成 CuAlO2 相 [11]。在 800°C 退火后观察到分别属于 CuAlO2 和 CuAl2O4 相的 31.7° 和 37.1° 处的两个新峰。当温度达到 900°C 时,CuO 峰的强度降低,CuAl2O4 相峰消失。在 36.8°、42.5°、48.5°、57.5° 和 31.7° 处的几个新峰属于 CuAlO2 相,主导了薄膜 [9, 12]。温度进一步升高到 1000°C,峰强度增加,得到单一的 CuAlO2 相。结晶度的提高可能是由于更高的退火温度下更多的能量吸收加速了微晶的生长。
<图片>结论
总之,溶液处理的 CuAlO2 薄膜是在不同温度下在氮气气氛中制备和退火的。随着温度从 700°C 升高到 1000°C,膜结构相从 CuAl2O4 和 CuO 的混合物转变为纳米晶 CuAlO2,并且膜的光学透射率、能带隙、晶粒尺寸和表面粗糙度增加。 p 型 CuAlO2 TFT 的性能在很大程度上取决于沟道层的物理性质和化学成分。优化后的纳米晶 CuAlO2 TFT 的阈值电压为 - 1.3 V,迁移率为 ~ 0.1 cm 2 V −1 s −1 , 电流开/关比 ~ 10 3 .与基于真空的磁控溅射相比,我们的工作展示了一种低成本、溶液处理的 CuAlO2 TFT,这代表了互补金属氧化物半导体逻辑电路发展的重要进展。
缩写
- 原子力显微镜:
-
原子力显微镜
- C 牛:
-
栅极绝缘体的面积电容
- I 在/我 关闭:
-
通断电流比
- k :
-
玻尔兹曼常数
- L :
-
通道长度
- N :
-
界面陷阱密度
- q :
-
电子的基本电荷
- SEM:
-
扫描电镜
- SS:
-
亚阈值斜率
- T :
-
绝对温度
- TFT:
-
薄膜晶体管
- V :
-
阈值电压
- W :
-
通道宽度
- XPS:
-
X射线光电子能谱
- XRD:
-
X射线衍射
- μ 费:
-
场效应移动
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