氧化锌基薄膜晶体管制备与研究

以玻璃为衬底,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法,在360℃附近实现ZnO薄膜的生长.利用ZnO为有源层制备底栅型薄膜晶体管.SiO2 被用作栅绝缘材料以有效的抑制漏泄电流的产生,达到氧化锌薄膜晶体管 (ZnO-TFT) 成功运作目的.ZnO-TFT 的电流开关(on/off)比达到104以上.ZnO-TFT 在可见光区平均光透过率大约为80%.以上表明利用ZnO 替代传统 Si 材料作有源层材料制备透明薄膜晶体管是可能的.     

底栅和顶栅结构全透明氧化锌薄膜晶体管的制备

报道了制备在50mm石英玻璃衬底上的透明氧化锌薄膜晶体管(ZnO-TFT),采用了底栅和顶栅两种结构进行比较.ZnO沟道层由射频磁控溅射方法制备,SiO2薄膜作为栅绝缘层.结果发现底栅结构的ZnO-TFT具有较好的电学性质,该器件工作在n沟道增强模式,具有较好的夹断效应和饱和特性,其场效应迁移率、阈值电压和电流开关比分别为18.4cm2/(V·s),-0.5V和104.顶栅结构的ZnO-TFT则工作在n沟道耗尽模式,没有明显的饱和特征.不同结构ZnO-TFT电学性质的差别可能是由于不同的ZnO/SiO2界面特性所致.两种结构的ZnO-TFT在可见光波段都有很高的光学透过率.     

退火对MOCVD法生长ZnO薄膜性能的影响

采用MOCVD方法在(001)Si衬底上生长ZnO薄膜,并在空气中800℃退火1 h.生长及退火样品的XRD图谱均显示了较强的(002)ZnO衍射峰,表明ZnO薄膜为c轴高取向生长.光电子能谱(XPS)分析显示,退火后ZnO薄膜从富Zn生长变为富O生长.在样品的室温PL 谱中,观察到未退火样品的紫外发射峰的中心为3.28 eV,并观察到退火样品位于3.30 eV的自由激子发射峰和位于3.23 eV的施主-受主对的复合发光峰.实验结果表明,退火后ZnO薄膜的晶体质量得到提高.     

用MOCVD方法在GaAs衬底上低温生长ZnO薄膜

采用二乙基锌(DEZn)和水(H2O)作为生长源,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法,在100～400℃低温范围内,在GaAs(001)衬底上制备了ZnO薄膜.利用X射线衍射(XRD),室温PL,AFM,SEM研究了薄膜的晶体结构特性、发光特性及表面形貌特性.XRD分析表明ZnO薄膜具有很强的c轴取向,(002)峰的FWHM平均值为0.3°.当生长温度达到400℃时从SEM测量结果可以观察到薄膜表面呈六角状结晶.随着生长温度的升高,薄膜的晶粒尺寸变大,结晶质量得到提高但同时表面变粗糙.室温PL测量显示薄膜在370nm附近有强的近带边发射,没有观测到深能级发射峰.     

用MOCVD方法在GaAs衬底上低温生长ZnO薄膜

采用二乙基锌(DEZn)和水(H2O)作为生长源,利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法,在100～400℃低温范围内,在GaAs(001)衬底上制备了ZnO薄膜.利用X射线衍射(XRD),室温PL,AFM,SEM研究了薄膜的晶体结构特性、发光特性及表面形貌特性.XRD分析表明ZnO薄膜具有很强的c轴取向,(002)峰的FWHM平均值为0.3°.当生长温度达到400℃时从SEM测量结果可以观察到薄膜表面呈六角状结晶.随着生长温度的升高,薄膜的晶粒尺寸变大,结晶质量得到提高但同时表面变粗糙.室温PL测量显示薄膜在370nm附近有强的近带边发射,没有观测到深能级发射峰.     

ZnO薄膜和量子阱的生长及光学特性

研究了用MOCVD法在蓝宝石(Al2O3)(0001)和(1120)衬底上制备ZnO薄膜时的生长特性.详细研究了采用Al2O3(0001)衬底时生长温度与压力的影响.由于存在比较大的晶格失配,一般容易得到ZnO纳米结晶,不容易获得既平坦且质量又好的ZnO薄膜.生长温度对薄膜-衬底界面的生长模式有很大的影响;而生长压力对ZnO纳米结晶的形状有决定性作用.通过适当控制生长温度及压力,可以得到ZnO薄膜或不同形状的纳米结构.当采用Al2O3(1120)衬底时,由于晶格失配较小,能保持平坦层状生长,临界膜厚远远大于采用Al2O3(0001)衬底的结果.在Al2O3(1120)衬底上制作了ZnO/MgZnO量子阱并研究了其光学特性.观察到了量子化能级间以及在载流子间的跃迁引起的发光.由压电效应引起的内建电场约为3×105V/cm.同时发现采用低温低压生长可以增大ZnO中受主杂质浓度,有利于获得p型ZnO.     

生长温度对ZnO薄膜性能的影响

采用常压金属有机化学气相沉积技术在Al2O3(0001)衬底上生长出高质量的ZnO薄膜.用X射线双晶衍射ω和θ-2θ扫描、室温光致发光研究了不同生长温度对ZnO薄膜的结构、发光性能的影响.结果表明,随着生长温度的升高,ZnO薄膜的c轴晶格常数逐渐增大,a轴晶格常数逐渐变小,同时带隙相应逐渐增大.     

ZnO薄膜及ZnO-TFT的性能研究

采用MOCVD法在SiNx绝缘薄膜上生长了ZnO薄膜,通过X射线衍射与光致发光光谱表征了ZnO薄膜的质量.其结果是:XRD特征峰半高全宽0.176°,光致发光仅有381.1nm的发光峰,展现了ZnO薄膜光电特性的优势.制备了底栅型ZnO薄膜晶体管,测试表明器件具有明显的场效应特性及饱和特性.     

生长温度对ZnO薄膜性能的影响

采用常压金属有机化学气相沉积技术在Al2O3(0001)衬底上生长出高质量的ZnO薄膜.用X射线双晶衍射ω和θ-2θ扫描、室温光致发光研究了不同生长温度对ZnO薄膜的结构、发光性能的影响.结果表明,随着生长温度的升高,ZnO薄膜的c轴晶格常数逐渐增大,a轴晶格常数逐渐变小,同时带隙相应逐渐增大.     

ZnO薄膜的射频磁控溅射制备及性能研究

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出高质量的ZnO薄膜.对薄膜的结构和性能进行了研究.所制备的ZnO是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜,最佳择优取向为(002)方向.ZnO薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度分别为8×104m2/(V·s)和11.3×1020 cm-3.     

ZnO材料的生长及表征

氧化锌材料是新一代宽禁带光电子半导体材料和场致发射材料，通过等离子体分子束外延设备，在a-plane的蓝宝石衬底上生长了高质量的氧化锌外延材料。在生长过程中用反射高能电子束衍射仪(RHEED)，研究了生长时材料薄膜的表面形貌。为了使材料更好地应用于器件，研究了材料的掺杂性质。研究了给体束缚激子(Donor bound exeiton (DX))、自由激子(Free exciton(EX))和受体束缚激子(Aeeeptor bound exciton (AX))随温度变化的发光过程。用紫外-可见透射光谱研究了ZnO薄膜材料的透射光谱性质。结果表明，用分子束外延生长设备成功地生长了高质量的氧化锌薄膜材料。     

间歇溅射和分段冷却对ZnO薄膜结构的影响

用超高真空射频磁控溅射技术制备了高c轴取向的ZnO薄膜,并用XRD和SEM研究了溅射和冷却方式对ZnO薄膜结构性能和工艺性能的影响。结果表明:与连续溅射相比,间歇溅射可以降低ZnO(002)的晶面间距,晶粒长大致密化,随着间歇时间的延长,薄膜的自优化程度增加;与连续冷却相比,分段冷却对ZnO薄膜的质量影响不大,但可将薄膜的冷却时间,从2.5~3 h缩短至1.5 h左右,从而提高了薄膜的制备速率。     

ZnO薄膜紫外探测器的光电性质

采用直流反应磁控溅射的方法制备ZnO薄膜, 用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见光谱仪(UV-Vis)分别表征ZnO薄膜的晶体结构和表面形貌等特征。并用此材料制备Au/ZnO/Au金属-半导体-金属(MSM)结构光电导型ZnO薄膜紫外光探测器。实验结果表明, ZnO探测器在360 nm出现明显光响应,其光电流为2.5 mA, 在5 V偏置电压下暗电流为250 μA; ZnO紫外探测器在250～380 nm的紫外波段, 探测器有很明显的光响应, 且光电流响应比较平坦; 在380～430 nm区域, 光响应明显下降; 其光响应的上升与下降弛豫时间分别为20 s与80 s。从光谱响应图中可以看出紫外(360 nm)比可见区(450 nm)的光响应高出3个数量级, 薄膜表面存在的缺陷(如氧空位)在ZnO紫外探测器的光电效应中有重要作用。     

退火过程对c轴择优取向的ZnO薄膜的光学性质的影响

利用溶胶凝胶法在石英衬底上采用旋涂法制备出ZnO薄膜,通过X射线衍射仪发现不同的退火温度对ZnO薄膜的择优取向有很大影响;通过紫外可见分光光度计和室温发光谱可以看出,制备的薄膜有很好的光学透过性和很强的紫外发光特性,而不同的退火温度对其光学性质有很大的影响。实验发现采用此种方法在650℃左右退火是一个合适的退火温度,结构特性和光学性质都相对较好;采用热分析方法可知ZnO将在375℃左右从非晶转向结晶状态,因而在常规ZnO薄膜制备方法中增加一步500oC的热处理将有助于提高ZnO薄膜的结晶质量。     

低压MOCVD生长ZnO单晶薄膜的制备与性质

利用 LP-MOCVD生长技术 ,采用 Zn(C2 H5) 2 作 Zn源和 CO2 作氧源 ,在 (0 0 0 2 )蓝宝石衬底上获得了沿 c轴取向高度一致的 Zn O单晶薄膜。通过对其吸收谱的曲线拟合 ,得到室温下 Zn O薄膜的光学带隙为 3 .2 45e V。在样品的室温光荧光谱 (PL)中观察到对应于带边发射的较强的发光峰 ,对样品中蓝带的产生原因进行了讨论     

Al薄膜对(002)ZnO/Al/Si结构基片中ZnO薄膜特性影响的实验研究

采用射频磁控溅射法沉积制备了(002)ZnO/A l/Si复合结构。研究了Al薄膜对(002) ZnO/Al/Si复合结构的声表面波器件(SAWD)基片性能影响以及当ZnO 薄膜厚度一定时的Al膜最佳厚度。采用X射线衍射(XRD)对Al和ZnO薄膜进行了结构表征 ,采用 扫描电镜(SEM)对ZnO薄膜进行表面形貌表征,并从薄膜生长机理角度进行了分析。结果 表明,加Al薄膜有利于ZnO薄膜按(002)择优取向生长,并且ZnO 薄膜的结晶性能提高;与(002)ZnO/Si结构基片相比,当Al薄膜 厚为100nm时,(002)ZnO/Al/Si结构中ZnO薄 膜的机电耦合系数提高 了65%。     

垂直靶向脉冲激光沉积制备ZnO纳米薄膜

用一种新颖的制备纳米粒子与薄膜的垂直靶向脉冲激光沉积(VTPLD)方法,在室温及空气气氛下,于玻璃基底上成功地制备出ZnO纳米薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对ZnO纳米薄膜的表面形貌和结构进行了表征,用荧光光谱仪对薄膜的光致发光(PL)性能进行了测量.结果表明,当激光功率为13 W时,沉积出的粒子大小较均匀,尺寸在40 nm左右,且粒子排列呈现出一定方向性;当激光功率为21 W时,沉积的ZnO纳米薄膜图呈现出微纳米孔的连续薄膜.在玻璃基底上沉积的ZnO纳米薄膜有一主峰对应的(002)衍射晶面,表明ZnO纳米薄膜具有良好的c轴取向性.不同激光功率下沉积ZnO纳米薄膜经500 ℃热处理后的PL峰,其强度随激光能量而变化,最大发光波长位于412 nm.     

Resistive Switching Characteristics of Al2O3/ZnO Bilayer Thin Films for Flexible Memory Applications

Unipolar resistive switching behaviors of the ZnO and Al2O3/ZnO films fabricated on flexible substrates by pulse laser deposition were studied in this paper. The films were deposited at room temperature without post-annealing treatment during the process. X-ray diffraction results indicated that ZnO film has a dominant peak at (002). Scanning electron microscopy observation showed a columnar grain structure of the ZnO film to the substrate. The bilayer device of Al2O3/ZnO films had stable resistive switching behaviors with a good endurance performance of more than 200 cycles, high resistive switching ratio of over 103 at a read voltage of 0.1 V, which is better than that of the single oxide layer device of ZnO film. A possible resistive switching filamentary mode was demonstrated in this paper. The conduction mechanisms of high and low resistance states can be explained by space charge limited conduction and Ohmics behaviors. The endurance of the bilayer (BL) device was not degraded upon bending cycles, which indicates the potential of the flexible resistive switching random access memory applications.     

压电和铁电薄膜及其应用的发展趋势

本文讨论了压电和铁电薄膜材料及其在固体器件中应用的发展趋势。薄膜生长技术的进展,为压电和铁电薄膜集成固体器件在各个领域的应用开辟了广阔的前景。ZnO和AIN薄膜将广泛地用于SAW和BAW器件。特别是成功地制作了薄膜体声波谐振器和高次谐波体波谐振器。以PbTiO_3为基的PZT和PLZT固溶体外延薄膜将应用于热电探测器和SAW器件。在实现了对多层薄膜的界面结构及其特性的成功控制之后,铁电薄膜将在铁电存储和集成光学领域发挥重要作用。