宁波材料所p型SnO薄膜及其电子学器件研究取得系列进展 - 中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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宁波材料所p型SnO薄膜及其电子学器件研究取得系列进展

作者：，日期：2010-04-22

薄膜晶体管（Thin-film transistor, TFT）是一类重要的半导体器件，在信息显示、传感器等领域具有广泛的应用价值。最近几年，宽带隙氧化物半导体由于其具有低温成膜、高电子迁移率、可见光透明等优点，成为电子学中的研究热点，发展成为一个分支—透明电子学。基于氧化物的薄膜晶体管和平板显示技术相结合，将使得显示屏幕更清晰、明亮，从而带来显示技术革新。开展这方面的研究将有利于提升我国宽禁带氧化物材料与器件应用研发实力，满足国家对信息显示方面的重大需求。然而，因为多数氧化物半导体呈本征n型导电特性，氧化物TFT的应用被限制在n型，而p型和n型半导体材料对于氧化物TFT的发展同等重要。一方面p型氧化物TFT由于具有空穴注入的特点从而更适合驱动有机发光二极管（OLED）高开口率像素单元；另外一方面n沟道TFT只有与p沟道TFT联结才能组成氧化物双极性薄膜晶体管以及互补型反相器逻辑电路，这些是实现透明电子器件应用的基�。淮送�，氧化物半导体材料的p型导电极性转变，制备与n型电学性能相匹配或者具有器件质量的p型氧化物半导体材料是目前氧化物研究的瓶颈，因为目前p型氧化物半导体材料的发展远远落后于n型氧化物半导体材料，具有高空穴迁移率、结构和物性稳定、易于制备的p型氧化物半导体材料极为短缺，大大限制了透明氧化物电路的发展。

非故意掺杂氧化亚锡（SnO）是一种p型氧化物半导体材料，宁波材料所功能材料与纳米器件事业部曹鸿涛课题组开展了SnO相关材料和薄膜晶体管研究，梁凌燕博士后与合作导师曹鸿涛和潘晓晴教授采用两步法制备出纯相的SnO薄膜（图1），该制备方法已经申请国家专利（专利号：200910152532.6），并对其光电性能（图2）和价带电子结构（图3）做了研究，发现SnO价带顶电子结构与SnO2有很大不同，SnO所对应的独特电子结构耦合了其p型导电特性，在石英（γ-plane蓝宝石）衬底上制备的SnO薄膜电学性能参数分别为：空穴迁移率1.4 cm2 V?1 s?1（2.0 cm2 V?1 s?1），空穴浓度2.8×1016 cm?3（5.2×1016 cm?3）。在材料研究基础上我们将工作向下延伸，成功制备出Si/SiO2/SnO/NiAu底栅结构薄膜晶体管（图4），所得阈值电压、开关比和饱和区场效应迁移率分别为-3.5 V，200和0.46 cm2V-1s-1，晶体管器件制备方法已申请了专利（专利号：201010040097.0）。部分学术研究结果发表在《美国化学协会应用材料与界面》（ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI: 10.1021/am900838z）和《电化学会志》（J. Electrochem. Soc., 2010, 157, H598）上。

曹鸿涛课题组与美国密歇根大学潘晓晴教授课题组对SnO材料开展了合作研究，利用电子束蒸发技术在硅和蓝宝石衬底上制备出SnO薄膜，发现低温制备的SnO是非晶或者纳米晶，衬底温度为600 oC时，可以生长出外延或者具有织构取向的薄膜，通过电学测试，发现SnO薄膜的空穴浓度和迁移率分别在1017-1019 cm-3和0.1-2.6 cm2V-1s-1范围内，制备的薄膜样品的p型导电性可以长期稳定存在，研究结果在《应用物理快报》（Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 042113）上发表。

该项研究工作得到了中科院创新团队国际合作伙伴计划、浙江省自然科学基金委重点项目（合作）、中国科学院院长奖获得者科研启动专项资金（合作）、浙江省钱江人才计划项目、博士后基金支持。

　　沉积态和退火态SnO薄膜X射线衍射图谱　　　　　　沉积态和退火态SnO薄膜透射率光谱

　　　　　 SnO 和SnO2的价带谱　　　　　　　　　　　　p型沟道SnO薄膜晶体管输出曲线

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