SnO薄膜及其双极性晶体管的性能调控

摘要

双极性薄膜晶体管可以通过改变栅极和源漏电压的极性和大小来实现空穴和电子的可控注入与输运。其可简化电路的设计和制备流程，从而大大减少相关器件、电路制造的复杂程度。近十几年以来，以氧化物半导体为沟道的薄膜晶体管具有较高的场效应迁移率、较小的亚阈值摆幅、较大的开关比、较好的透明性、可低温制备以及与硅基工艺基本兼容等诸多优点而备受关注。然而多数氧化物半导体薄膜晶体管表现为单极性（n型或p型），有关双极性氧化物半导体薄膜晶体管的报道则相对较少。双极性氧化物薄膜晶体管的实现，面临沟道材料性能优化和器件结构设计两方面的挑战。本论文采用氧化亚锡（SnO）为沟道层材料，围绕上述两个关键点展开研究。主要成果如下：
　　（1）本研究实现了多晶SnO薄膜的结晶取向控制和拉曼特征峰。通过电子束蒸发技术分别制备了（001）和（101）结晶取向的多晶 SnO薄膜。实验表明，SnO薄膜中化学计量比的改变是实现其择优取向转变的主要原因，富 O和富 S n薄膜分别利于（001）和（101）结晶取向的实现。而且，我们发现 SnO薄膜的拉曼特征峰与结晶取向具有密切关系。110 cm-1处的拉曼峰强随薄膜中（001）取向织构系数的增加而变小，随（101）取向织构系数的增加而变大。这与根据拉曼选择定则预期的Eg模式拉曼峰随薄膜取向的变化关系相一致，从而确定110 cm-1处拉曼峰为 Eg模式，为110 cm-1处拉曼峰的指认同时提供了实验和理论两方面的证据。
　　（2）为了提高双极性 SnO薄膜晶体管的性能，必须寻找平衡和优化电子和空穴两种载流子平衡注入和输运的方法。本研究从调控 SnO薄膜的化学计量比和载流子注入势垒高度两个方面入手，通过调控快速退火气氛中 Ar含量、SnO背沟道表面添加 Al2O3覆盖层以及源漏电极和沟道之间引入 Al2O3接触势垒层等手段来优化 SnO晶体管的双极性性能。结果表明，化学当量的SnO沟道有利于双极性薄膜晶体管场效应迁移率、开关比和对称性的提高。然而，富 Sn情况下金属 Sn缺陷的存在会使晶体管双极性性能退化，富 O情况下部分 SnO易被氧化成 S n O2引起晶体管性能转变为高阻或 n型。此外，在源漏和沟道之间引入 Al2O3 接触势垒层可以减少 SnO的表面态、增加空穴的注入势垒，从而提高 SnO薄膜晶体管对称性和开关比。最优双极性 SnO薄膜晶体管的场效应迁移率和开关比在 n型工作区分别为2.85 cm2V-1S-1和1.3×103，在 p型工作区分别为0.90 cm2V-1S-1和1.7×103。

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引言

1 绪论

1.1薄膜晶体管的发展

1.2 p型氧化物TFTs的研究进展

1.3双极性SnO TFTs的研究进展

1.4 TFTs结构和操作模式

1.5本论文的研究意义

2 SnO薄膜及其TFTs的制备、表征技术

2.1电子束蒸发系统

2.2快速退火炉

2.3 X射线衍射仪

2.4 Raman散射光谱仪

2.5 X射线光电子能谱仪

2.6半导体参数测试仪

2.7光谱型椭圆偏振仪

2.8本章小结

3 SnO薄膜的结晶取向控制及其Raman指纹研究

3.1 SnO薄膜的制备

3.2 SnO薄膜的结构特性

3.3本章小结

4双极性SnO TFTs的性能调控

4.1SnO TFTs的制备

4.2双极性SnO TFTs的性能调控

4.3本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

在 学 研 究 成 果

致谢