發(fā)布時間：2020-04-16 03:27

【摘要】：氧化物半導體是很有前途的薄膜電子材料,近十幾年來,基于氧化物半導體的電子器件成為研究熱點。本論文研究了基于銦鎵鋅氧[InGaZnO(IGZO)]和氧化鎵(Ga_20_3)兩種氧化物半導體的電子器件。IGZO具有寬帶隙(3.4 eV)、高載流子遷移率、對可見光透明、可大面積均勻成膜、以及可低溫甚至室溫成膜(因而可在柔性襯底上制備)等特點,因此對柔性、透明、和可穿戴電子特別有利�；贗GZO的薄膜晶體管在平板顯示器上已經(jīng)得到了商業(yè)化應用。盡管對氧化物晶體管進行了大量研究,但對基于IGZO的肖特基二極管(SBDs)的研究仍然非常有限。Ga_20_3具有超寬帶隙(～4.8 eV)、高擊穿場強(8 MV/cm)和高的巴利加優(yōu)值(3444,電路損耗的關鍵指標),其擊穿場強、巴利加優(yōu)值分別是目前主流寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)的2-3倍、～10倍,因此是制備新一代超高功率器件的理想材料。β-Ga_20_3具有層狀結構,因此可以通過機械剝離方法制備高質(zhì)量單晶薄膜/晶片。在過去的幾年里,隨著Ga_20_3單晶生長技術的突破,基于剝離Ga_20_3單晶薄膜及高質(zhì)量同質(zhì)外延Ga_20_3的電力電子器件開始發(fā)展。目前,關于Ga_20_3電力電子器件的研究還處于初始階段,器件類型以肖特基二極管與場效應晶體管為主。其中,高質(zhì)量Ga_20_3肖特基界面是實現(xiàn)大功率Ga2203 SBDs的關鍵。對Ga_20_3肖特基界面的電學性質(zhì)和物理機理的詳細研究是非常迫切的。本論文利用電容-電壓(C-V)、電流密度-電壓(J-V)、頻率和電壓依賴的電容和電導(C-V-f、G-V-f)、肖特基電容光譜、低頻噪音(LFN)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、和X射線光電子能譜(XPS)等多種方法,系統(tǒng)研究了肖特基界面的電學特性和物理特性,并分析了其中包含的物理機制。實現(xiàn)了基于IGZO和Ga_20_3的高性能SBDs的研制,并進一步研制了基于IGZO的低電壓、低功耗肖特基勢壘薄膜晶體管(SB-TFTs)和肖特基勢壘雙電層薄膜晶體管(SB-EDLTs)。本文的重點實驗內(nèi)容如下:1.高性能剛性及柔性IGZO SBDs的研制(1)高性能剛性IGZO SBDs的研究濺射IGZO過程中氧分壓的影響氧化物半導體容易產(chǎn)生氧缺陷,對金屬/氧化物半導體肖特基界面產(chǎn)生嚴重影響,如引起費米能級釘扎從而導致勢壘高度很低等。本論文研究了濺射IGZO過程中氧分壓(PO)對SBDs性能的影響。當PO= 0%時,SBDs的整流特性很差,開關比(I_(on/off))～10。隨著PO從2.5%增加到20%,勢壘高度(Φ_(BJV))從0.79增加到0.92 eV,I_(on/off)由5.4 × 106減小為6.0 ×103,理想因子(n)由1.11退化為1.68。說明通入適量的氧氣有助于形成高的Φ_(BJV),以及大的I_(on/off),但是Po過高會導致n和I_(on/off)退化。氧化處理陽極金屬效應由于多數(shù)金屬對氧具有一定的化學親和力,導致金屬/氧化物半導體界面處半導體亞表面的氧缺陷增多,從而造成器件性能退化。為了避免這個問題,本論文對Pd肖特基金屬電極表面進行了氧化預處理。論文系統(tǒng)研究了不同氧化工藝(氧等離子體處理與紫外-臭氧處理)對Pd/IGZO肖特基界面質(zhì)量的影響。XPS結果顯示,兩種氧化處理工藝均可使Pd部分被氧化成PdO,氧等離子體處理可使氧化更充分,因而使得肖特基界面具有更高的氧化學計量比和更高的陽極功函數(shù),器件性能更高。襯底和陽極金屬的退火效應在以上兩種工藝優(yōu)化(高效氧等離子體處理Pd表面、IGZO濺射采用適當PO=2.5%)的基礎上,進一步研究了 SiO_2/Si襯底和Pd 陽極金屬的退火效應對IGZO SBDs性能的影響,研究表明襯底預退火(300℃,30 min)后再沉積Pd(沉積47 nm Pd后不再退火)的電極表面粗糙度最小(0.69 nm),器件性能最優(yōu),Φ_(BJV) 為0.88 eV,I_(on/off)高達7.21 × 10~7,n低至 1.09。據(jù)我們所知,這在IGZO沒有退火的SBDs中達到了最高水平。而沉積Pd后再進行退火(230℃ 60 min)會增加電極表面粗糙度(達0.73 nm),導致器件性能下降,Φ_(BJV)降至0.86 eV,I_(on/off)降至3.48 ×10~7,n增至1.13。C-V測量結果表明,Pd電極表面粗糙度與肖特基界面處的陷阱態(tài)密度相關。(2)高性能柔性IGZO SBDs在上述剛性IGZO SBDs研究的基礎上,本論文基于優(yōu)化的IGZO濺射工藝(PO=2.5%)及高效氧等離子體處理Pd表面的工藝,在柔性聚對苯二甲酸乙二酷(PET)和聚酰亞胺(P1)襯底上制備了 IGZO SBDs,其Φ_(BJV)分別為0.79和0.76 eV,I_(on/off)分別為7.3 × 106和2.6 × 104,n分別為1.22和1.19。值得注意的是,這些柔性SBDs在大氣中存儲兩年后性能不僅未退化反而有一定的改善,反向電流擬合表明這些柔性SBDs在大氣中存儲兩年后肖特基勢壘不均勻性得到改善,其原因可能為長期大氣暴露造成的肖特基界面處IGZO亞表面氧空位的緩慢填充。存儲兩年后,PET襯底上的柔性SBDs性能達到世界領先水平,Φ_(BJV)為0.80 eV,I_(on/off)為2.0 x10~7,為1.09,擊穿電壓為7.5V。此外,這些柔性SBDs在彎曲測試時表現(xiàn)出堅固的性能,表明其在拉伸和壓縮應力下可以很好的工作。2.高性能Ga_20_3 SBDs的研究Ga_20_3 SBDs被認為在功率器件領域具有巨大的應用價值。對于SBDs功率器件而言,肖特基界面質(zhì)量,包括理想因子、勢壘高度、界面陷阱態(tài)密度等是影響其性能的關鍵因素。本論文通過對新型肖特基電極材料的研究,實現(xiàn)了高質(zhì)量SnOx/Ga_2O_3肖特基接觸,為Ga_2O_3肖特基工藝提供了一種新方法,也為后續(xù)Ga_2O_3高功率SBDs的研究打下了基礎。(1)Ga_2O_3的機械剝離及性質(zhì)研究β-Ga_2O_3晶體沿[100]方向具有12.23 A的大晶格常數(shù),即具備解理面,因而可以通過機械剝離方法獲得準二維Ga_2O_3單晶薄膜/晶片。本論文基于山東大學晶體材料國家重點實驗室生長的高質(zhì)量體塊Si摻雜及Cr摻雜β-Ga_2O_3單晶,通過機械剝離制備了高質(zhì)量Ga_2O_3晶片。霍爾效應測試顯示,Si摻雜和Cr摻雜Ga_20_3晶片的載流子濃度均為1.0 × 1018 cm-3,霍爾遷移率分別為68和90 cm~2/Vs。原子力顯微鏡結果表明機械剝離得到的兩種Ga_2O_3晶片具有0.3-0.37 nm的均方根表面粗糙度,是原子級平整的,適合制備電子器件。此外,本論文系統(tǒng)研究了該Ga_2O_3晶片的紫外-可見光透射光譜、顯微拉曼光譜、以及X射線衍射圖譜,結果表明其具有4.6-4.8 eV的寬帶隙以及高的單晶質(zhì)量。(2)Pd/Ga_2O_3 SBDs 的制備基于上述機械剝離的Ga_2O_3晶片,首先制備了底肖特基接觸(先做Pd肖特基電極,后做Ti/Au歐姆電極)的Pd/Ga_2O_3 SBDs,電學性能表征表明器件整體性能不高,Φ_(BJV)較低為0.86 eV,I_(on/off)～106,n為1.22,串聯(lián)電阻(Rs)較高為0.7 Ωcm~2。基于肖特基電容光譜和LFN方法表征了 Pd/Ga_2O_3肖特基界面的陷阱態(tài)密度較高,1013 eV-1m2。其次,為了減小IGZO肖特基電極形成后后續(xù)工藝對肖特基接觸的影響,本論文還制備了頂肖特基接觸Pd/Ga_2O_3 SBDs(先做Ti/Au歐姆電極、后做Pd肖特基電極),并且在形成肖特基接觸之前先對歐姆接觸進行了快速熱退火提高了歐姆接觸質(zhì)量。結果表明頂肖特基接觸Pd/Ga_2O_3 SBDs器件性能顯著提高,其n、Φ_(BJV)、RS和I_(on/off)分別為1.18、1.34 eV、30.6 mΩcm~2、和1010。(3)SnOx/Ga_20_3 SBDs的制備與惰性高功函數(shù)金屬Au、Pd、和Pt等相比,Sn具有顯著低的成本并且容易被氧化。氧化金屬作為肖特基電極可以使肖特基界面富氧,減小氧缺乏以及相關的缺陷態(tài),從而改善肖特基接觸質(zhì)量。本論文首次用SnOx作為肖特基電極制備了高性能Ga_20_3 SBDs。通過調(diào)控濺射過程中的PO實現(xiàn)了對SnOx薄膜的化學組分及電學特性的調(diào)控。使用拉曼光譜、XPS和紫外-可見透射光譜對SnOx薄膜進行了系統(tǒng)研究,結果表明:PO=0-3.1%的薄膜主要由p型SnO和金屬Sn組成,薄膜具有高導電性;PO= 4.6-5.4%的薄膜由p型SnO和n型SnO2組成,具有高電阻;PO;10.0-13.1%的薄膜主要以低電阻率的n型SnO2為主。隨著PO從0增加到3.1%,SnOx/Ga_2O_3 SBDs的性能得到顯著改善,主要是由于SnO主導的薄膜有效地降低了Ga_2O_3界面處的氧缺乏和相關的界面態(tài)密度。PO=5.4%時,高電阻SnOx導致SBDs性能降低,一方面高電阻層整體降低器件電流,另一方面具有氧空位缺陷的n型SnO2組分可能加劇了肖特基界面處的氧缺乏。將SnOx的化學成分調(diào)控為以導電SnO為主,即P0=3.1%,SnOx/Ga_2O_3 SBDs的性能最優(yōu)�；谠搩�(yōu)化的SnOx肖特基電極,Si摻雜Ga_2O_3 SBDs的Φ_(BJV),為1.12 eV,n為1.22,I_(on/off)1010,而Cr摻雜Ga_2O_3的SBDs表現(xiàn)出更高的性能,,n僅為1.02,Φ_(BJV)高達1.17 eV,I_(on/off)為1010。頻率和電壓依賴的電容和電導分析顯示基于Cr摻雜Ga_2O_3的SBDs的界面態(tài)密度較低,僅為2.46 × 1012 eV-1cm-2。3.IGZO SB-TFTs 的研究SB-TFTs可以實現(xiàn)低電壓和低功耗,在移動便攜式電子領域具有巨大的應用價值。本論文研究了基于IGZO的SB-TFTs。通過退火調(diào)節(jié)Pd源/漏金屬與IGZO溝道之間形成的勢壘高度,進而調(diào)節(jié)IGZO SB-TFTs的性能。100℃退火后,Pd與IGZO之間形成0.54 eV的Φ_(BJV),SB-TFTs表現(xiàn)出最佳性能,實現(xiàn)了低電壓和低功耗,其關態(tài)電流～10-13A,I_(on/off)～10~7,亞閾值擺幅(SS)為0.93 V/dec,閾值電壓(VTH)為0.25V,飽和漏極電壓1.5V。在持續(xù)加3000 s、+10/-10V的應力下,正向柵壓應力(PBS)使VTH移動了 1.19 V,負向柵壓應力(NBS)下VTH幾乎不移動。負向柵壓光照應力測試表明,除了藍色(450 nm)光照下VTH移動比較大(-4.87 V)以外,紅色(650nm)和綠色(532nm)光照下,器件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。4.IGZO SB-EDLTs的研究EDLTs是另一種實現(xiàn)低電壓的有效方法。首先,在剛性襯底上制備了IGZO EDLTs,研究了器件的柵壓應力穩(wěn)定性。在持續(xù)施加32 min、+1/-1 V的應力下,PBS下器件表現(xiàn)出高穩(wěn)定性,NBS下VTH偏移了 0.57 V。其次,本論文開發(fā)了一種簡單,低成本的“劃線,切片和倒裝貼片”工藝制備了柔性IGZO EDLTs。該器件在-1～+1 V的極低柵偏壓下表現(xiàn)出高性能,具有大I_(on/off)為1.4 × 10~7,SS低至76 mV/dec(接近理論最小值59 mV/dec)。在此基礎上,利用Pd作為源/漏接觸電極,初步制備了 SB-EDLTs。通過對IGZO層進行退火,調(diào)節(jié)源/漏與溝道重疊區(qū)域的勢壘高度,與IGZO未退火器件相比,關態(tài)電流從1 × 10~(-7) A降低到5 ×10~(-9) A,SS由170降至80 mV/dec。結果表明,該類肖特基源/漏極器件相比傳統(tǒng)歐姆接觸器件(如退火前的SB-EDLTs)具有更好的器件性能。
【圖文】：

３．１．２濺射過程氧分壓的影響逡逑氧化物半導體容易產(chǎn)生氧缺乏，對肖特基界面產(chǎn)生嚴重影響，如導致勢壘高逡逑度很低等。據(jù)報道，使用２０％的較高Ｐ０濺射沉積ＩＧＺＯ層可以確保肖特基界面逡逑中的高氧化學計量，實現(xiàn)高辦［１Ｍ１，３Ｗ１１。然而，這種高Ｐ0會導致高的界面陷阱逡逑態(tài)密度并且降低ＳＢＤｓ的其他性能，例如，大的《和大的勢壘不均勻性。因此，逡逑通常需要退火來降低界面陷阱態(tài)密度，改善肖特基接觸界面質(zhì)量［１６＿２１，，３１］。逡逑0邋ＵＶ－Ｏｚｏｎｅ邋ｔｒｅａｔｅｄ邋３０邋ｍｉｎ逡逑ｌ：

山東大學博士學位論文逡逑提取的＃ｄｅｐｉ和Ｆｂｉ值，結合等式（２－１８），得到耗盡區(qū)寬度（Ｆｄ）隨著施加電壓的逡逑變化趨勢，如圖４－８邋（ｂ）所示。結果表明，器件的耗盡區(qū)很窄，在－ＩＶ偏壓下為逡逑３５邋ｒｎｎ，主要是因為我們使用的Ｇａ２０３具有高載流子濃度。根據(jù)等式（２－１９）畫逡逑出ｉＶｄｅｐｌ作為施加電壓的函數(shù)，如圖４－８邋（ｃ）所示。在負向電壓下，靠近半導體表逡逑面的摻雜濃度升高，主要是因為半導體表面吸附碳氫和氧氧等污染物，形成電子逡逑積累層。逡逑２．０＝ｂ４０Ｃ１０
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN305


本文編號：2629331