有机薄膜晶体管（精选6篇）
有机薄膜晶体管 第1篇
多年来, 各国科学家一直试图用廉价的富碳分子和塑料来制造性能接近硅技术的有机半导体, 但鲜见突破性进展。此次由斯坦福大学化学工程学教授鲍哲南 (音译) 和内布拉斯加林肯大学机械和材料工程学助理教授黄劲松 (音译) 领导的研究团队, 革新了传统生产技术, 大幅提高了有机薄膜晶体管的载流子迁移率, 使其性能与昂贵的、基于硅技术的弧形显示器不相上下。
目前, 制造有机薄膜晶体管的传统工艺是, 先通过在旋转的盘片上滴落由富碳分子和互补塑料组成的特殊溶液, 而后通过旋转作用力, 让复合溶液均匀散布在盘片上形成薄膜。
而称为“偏心旋转涂布”技术的新工艺对此进行了革新。研究人员加快了盘片的旋转速度, 减少涂布面积并增加密度, 将之前的大转盘换成了一块只有邮票大小的玻璃。相对于传统制造工艺, 新方法单位面积上沉积的有机分子浓度更高, 极大地改善了薄膜晶体管的载流子迁移率, 而这是衡量电荷通过晶体管速度的重要指标。
氧化锌基薄膜晶体管最新研究进展 第2篇
半导体产业是当今信息化社会的支柱产业,而其中起放大以及开关作用的晶体管具有极为重要的地位。晶体管从最初简单的结型和点接触晶体管到现在大规模产业化的非晶硅薄膜晶体管(a-Si∶H TFTs)已有80多年的历史。20世纪六、七十年代开发的CdS、CdSe薄膜晶体管虽在有源液晶显示器(AMLCD)获得应用,但由于硫化物有源层的不稳定和高昂的制作成本,没有获得有产业意义的突破。稍后开发的以硅基晶体管为代表的金属-氧化物-半导体晶体管(MOSFET)极大地推动了平板显示器特别是有源液晶显示器的产业化进程。当今,非晶硅薄膜晶体管由于性能稳定、工艺温度低和生产成本低而获得大规模的应用。但半导体产业目前仍以摩尔定律中描述的速度快速发展着,2008年已进入45 nm的节点,已臻成熟的非晶硅薄膜晶体管工艺逐渐显露出其局限性,主要是低的迁移率和不透明性。前者限制了器件的响应速度,后者则降低器件的开口率。非晶硅晶体管的另一个突出问题是带隙小(1.7 eV),需要黑矩阵来阻挡可见光照射,以免产生额外的光生载流子,这就增加了工艺的复杂性和成本。研究人员正在积极开发性能更好、价格更低且可使用挠性基片的下一代薄膜晶体管,主要有两条路线,即有机薄膜晶体管和透明氧化物薄膜晶体管。以并五苯和聚噻吩薄膜晶体管为代表的有机薄膜晶体管的研究已有十多年,目前其迁移率已经达到非晶硅晶体管的水平,需要继续解决的主要问题是器件的稳定性和成本。透明氧化物薄膜晶体管,主要是氧化锌基薄膜晶体管,其迁移率比非晶硅晶体管高一个数量级以上,而且对可见光的透明度大于80%,是最有希望的下一代薄膜晶体管之一,最近几年引起国内外学者的普遍关注,大量的文献报导了这方面工作的进展。本文从结构设计、材料选择、制备工艺、性能表征和可靠性等方面对已有的工作做了简要评述,并结合作者最近一年在这方面的实验工作,指出了存在的问题和解决的途径,展望了其产业化前景。
1 ZnO基TFT的结构和工作原理
晶体管有顶栅、底栅两种结构。根据有源层和源、漏电极的沉积次序不同,顶栅、底栅结构又分别有底接触和顶接触两种形式,如图1(a)、(b)、(c)和(d)。图1(a),(c)结构又称交错结构(staggered type),图1(b),(d)又称为共面结构(coplanar type)。在底栅顶接触结构中(图1(a)),可以通过绝缘层的界面修饰和改性改善半导体的结构和形貌,从而提高器件的有效迁移率。但采用掩模沉积源漏电极的沟道长度在几十微米以上,源漏电极光刻可能对有源层造成污染。在底栅底接触结构中(图1(b)),源漏电极光刻可以在有源层沉积之前进行,或者与半导体层一次光刻,但电极/绝缘层因存在台阶不利于电荷的注入,有源层的上表面暴露在外,通常需要覆盖保护层以提高器件的稳定性。顶栅底接触(图1(c))和顶栅顶接触结构(图1(d))对基片有更高的要求,特别是化学稳定性和表面粗糙度。TFT还有一种源极在有源层和绝缘层之间的垂直结构,其特点是器件工作时所加栅电压和漏电压很小,在OTFT领域是一种很有前途的结构。和a-Si∶H晶体管一样,ZnO基TFT根据沟道反型层电荷的类型分为n沟道和p沟道,根据阈值电压的正负又分为增强型和耗尽型。本征ZnO基TFT多为n沟道增强型的工作形式,p沟道通过掺杂获得。考虑到与工艺集成兼容,氧化锌基TFT优先选择底栅结构,该结构还有一个优点是通过增加有源层厚度以减少晶粒的缺陷,从而获得更高的迁移率,沟道层上表面通常需要覆盖一层保护层。
ZnO基TFT为三端TFT结构,其工作原理和其他的MOSFET相似,特性表征包括输出特性(Id-Vd)和转移特性(Id-Vg)。图2(a)和(b)分别示出rf溅射a-IGZO TFT的转移和输出特性。当加在栅极的偏压小于阈值电压时,器件处于截止状态,理论上无论源漏加多大电压沟道都没有电流通过,实际上由于载流子的扩散或绝缘层的固定电荷,沟道上仍有很小的电流,通常在10-10 A以下,这时沟道处于弱反型状态,所处的区域称为截止区。当栅极的电压大于阈值电压,沟道由于载流子的注入而处于强反型状态,沟道反型层下的半导体处于耗尽状态。当源漏电压很小时,漏端的正电压对栅介质的垂直电场影响很小,源漏电流随源漏电压成线性变化,该区域称为可变电阻区。当源漏电压继续增加时,在漏端的正电压正好抵消了栅电压,反型层在漏端发生夹断,此时源漏电压称为饱和电压。当继续增加源漏电压,沟道反型层的夹断点向源端移动,使得沟道的有效长度减小,源漏电流基本保持不变,所处的区域称为饱和区。当源漏电压继续增加时,沟道发生了雪崩击穿,所处的区域称为击穿区。
2 ZnO基TFT的制造
ZnO基TFT的制造包括图形的形成和各层薄膜的沉积。图形的形成主要采用光刻、抬离,一些工作采用金属掩模。光刻方法可以制备短沟道的TFT,尺度目前可以达到1 μm以下,但光刻工艺复杂,制作成本昂贵,且光刻过程所使用的化学药剂可能对有源层构成污染。金属掩模难于制备短沟道的器件,在TFT阵列的制备中难达到所需的分辨率。无掩模光刻包括激光光刻、喷墨和印刷将是ZnO基TFT图形形成的方向,目前这些技术还在完善之中。
2.1 基片
ZnO基TFT的基片除了要求有好的热、力性能以及化学稳定性,还要求表面平整、光学性质好以及高度电绝缘,可采用普通的钠钙玻璃、硅片、高应变点玻璃、陶瓷、金属薄片和塑料。对于以钠钙玻璃为基片的顶栅器件结构,通常需要预先沉积一层缓冲层如Al2O3、Si3N4等,以阻止Na+、K+等有害物质扩散到有源层、增强有源层和玻璃基片结合力[1]。TFT阵列制作目前普遍采用Corning或NEG生产的玻璃基板。 Corning Eagle 2000玻璃的密度为2.37 g/cm3,膨胀系数为3.18×10-6/k,应变点为667°C,对光波长在400~2 500 nm之间的透光性率大于90%。TFT基板的发展方向是轻薄化、可挠性、易加工和低成本。
2.2 源、漏及栅电极的要求、材料选择及制备方法
源、漏电极材料要求电阻率低、与半导体的接触为欧姆接触且界面的肖特基势垒小[2,3]。可选用的金属材料有Al、Ag、Ti、Cr、Mo、W、Ta、Au、Pd、Ni、Pt。原则上,对于n型ZnO TFT,选择低功函数的金属作为源漏电极,如Al、Ag、Ti,p型ZnO TFT选择高功函数的金属作为源漏电极,如Au、Pd、Ni、Pt。实际上,单种金属和半导体接触通常很难达到理想结果,对于n型ZnO TFT通过靠近金属一侧的半导体重掺杂,使耗尽层宽度减少,或者是快速退火和表面处理,在半导体表面产生 大量的施主缺陷,使Fermi能级向导带底移动,载流子易于隧穿,从而获得好的接触。另外,还可以通过多种金属的堆垛方案来提高欧姆接触效果,选择与ZnO容易互扩散的接触材料如Al2O3、TiO2等,以提高ZnO表面的载流子浓度。目前已获得的结果中Ti(20 nm)/Al(80 nm)/Pt(40 nm)/Au(80 nm)的接触电阻最小(2.2×10-8 Ω/cm2)。由于p型ZnO掺杂难、重复性和稳定性差、缺乏高功函数的接触材料以及金属化工艺会降低p型ZnO的空穴浓度而使实现与p型ZnO的欧姆接触非常困难。
Y. Shimura[4]研究了PLD制备的a-IGZO(电子载流子密度为5×1019 cm-3)与电子束蒸发的金属电极Ag、Au、In、Pt、Ti及PLD制备的氧化物a-IZO和多晶ITO的接触电阻,发现Ag、Pt为Schottky接触,其余均为欧姆接触。在a-IGZO上氧气氛下沉积a-IZO和多晶ITO过程中其表面可能存在电子载流子的湮灭。Ti的沉积过程中界面会形成TiOx而使该结构的体积电阻率有较大的分布(2.4×10-5~3.1×10-4 Ω)。
同样,作为栅电极的材料要求好的导电性,与栅介质的界面好,不发生化学反应或互扩散。原则上,作为源漏电极的材料也可以用作栅电极。
由于金属电极的不透明性以及在沉积过程中容易形成氧化物,这对于制备透明的ZnO基TFT是不利的。因此,在透明氧化物TFT的制备中广泛采用ITO、ZAO、ZnO、ZGO等透明电极。为了减小透明氧化物电极与有源层的接触电阻,T. Den等[5]在有源层沉积之后通过改变工艺条件沉积一层高载流子浓度的半导体层。
源、漏及栅电极的制备主要采用电子束蒸发或溅射法制备,M. Ito等[6]报道了采用丝网印刷制备a-IGZO TFT阵列的源漏电极。
2.3 有源层的材料要求和制备工艺
2.3.1 材料要求
作为半导体层的ZnO基薄膜要求呈非晶态、化学组成和显微结构均匀、载流子浓度适当(1014~1018 cm-3)、载流子迁移率高(>10 cm2/Vs)、可低温沉积、与绝缘层相邻的一侧表面要求有小的粗糙度。高的载流子迁移率可以提高器件的响应速度,载流子浓度控制适当可以使器件的阈值电压和关态电流处于合适的范围,低温沉积可以形成各向同性的高透光非晶态薄膜并与柔性基板工艺兼容。
2.3.2 高迁移率、高透明ZnO基TFT有源层成分设计
一般认为,氧化物的高透明性和高电导是不兼容的。对可见光透明意谓着带隙要大于3.3 eV,使得掺杂原子的固溶度低,难于获得合适的载流子浓度,同时由于本征缺陷补偿或位于间隙的掺杂原子产生强烈的晶格松驰,在带隙中形成深能级[7]。n型ZnO薄膜的电子载流子输运路径由Zn原子的4S轨道重叠而成。非晶薄膜的结构特征是近程有序、远程无序,载流子迁移率主要由定域态电子的迁移率决定。多晶ZnO薄膜晶粒内的电子做共有化运动,具有较高的迁移率,由于晶界位垒和缺陷或杂质的散射作用,其迁移率远低于单晶ZnO薄膜的迁移率(~200 cm2/Vs)。单晶和多晶薄膜具有较高的载流子迁移率,但各个方向的光学性质不均匀,且对可见光的透明度低。非晶态ZnO薄膜中O-Zn-O化学键的键长和键角变化小,S轨道对键角的变化不敏感,其电导取决于价键的离子性和氧空位数,导带边高度非定域化,从而不受结构无序的影响[8]。在ZnO中加入原子序数较大(主量子数>4))的过渡金属氧化物,可以导致相邻金属原子的S轨道有较大的重叠,从而有较高的迁移率。因此,In2O3-SnO2,In2O3-Ga2O3,In2O3-ZnO, SnO2-ZnO, 特别是In2O3-Ga2O3-ZnO系获得广泛研究。室温沉积的ZnO薄膜呈柱状多晶结构,引入In2O3,Ga2O3可以作为网络形成剂而抑制薄膜的结晶, InGaZnO4薄膜在~500 °C下退火仍保持非晶态。另外,把In2O3引入ZnO中,在ZnO的导带下形成浅施主能级和共振态。把Ga2O3引入ZnO中,在ZnO的导带下形成浅束缚态,当Ga的浓度很高时在ZnO的导带边形成连续的能带,可以控制引入ZnO或In2O3中的Ga2O3或Al2O3的含量以调制薄膜中的载流子浓度,增加薄膜的稳定性[8,9,10]。
2.3.3 ZnO基TFT有源层的制备
和其他薄膜的沉积方法一样,ZnO基薄膜的沉积可以采用离子束、sol-gel、MOCVD、PLD、射频磁控溅射等方法。但目前制备无定形ZnO基薄膜最成熟的是PLD法和射频磁控溅射法。溅射法易于大面积均匀沉积,实现大规模生产,而且比PLD具有更宽的工艺窗口[10]。PLD、磁控溅射靶材为高纯陶瓷烧结靶,薄膜的氧空位浓度主要通过控制沉积气氛中的氧含量来调制。对于射频磁控溅射,不同作者报道的O2/(Ar+O2)的变化范围在0~50%之间,另外,溅射功率和气压对薄膜中的氧空位数量也有显著影响。最近,H. Ohta和H. Hosono[11]采用反应固相外延(R-SPE)制备单晶InGaO3(ZnO)5薄膜,TFT的场效应迁移率高达80 cm2/Vs。所谓反应固相外延,是在单晶基片上通过交替沉积一定厚度、不同组分的多层薄膜,然后在高温下退火使不同组成的薄膜发生化学反应形成单晶体。
2.4 ZnO基TFT栅介质的要求和制备方法
绝缘介质影响TFT器件的阈值电压、开关态电流、有效迁移率和亚阈值斜率,要求与有源层的界面好、具有低的界面态密度(≤1011 cm-2eV-1)、低的陷阱电荷密度(≤1010 cm-3)、与有源层不发生互扩散和化学反应、足够的导带分离、低的应力、优良的热稳定性、好的可靠性、沉积工艺兼容、适当的介电常数(10~100)和足够的击穿场强(≥15 MV/m)。对于a-Si∶H TFT,目前尚未发现比SiO2性能更优越的介质,但SiO2的介电常数仅3.9,其物理厚度越来越接近极限厚度(理论上0.7 nm)。因此,大量的工作研究了高K氧化物,比如介电常数为10~20的HfO2-SiO2、ZrO2-SiO2,可望进一步降低栅介质的物理厚度[12]。ZnO基TFT的栅介质原则上可采用所有的薄膜沉积方法制备, 包括PECVD、溅射法、PLD和电子束蒸发法。当前应用较多的非晶态SiO2、Al2O3、Si3N4、Y2O3、HfO2介质多采用溅射法或PECVD制备,ALD沉积的薄膜的成分和厚度均匀性更好。但这些介质都有缺点,Al2O3薄膜的固定电荷和界面态密度高,Si3N4薄膜与有源层的界面应力大且存在氧扩散,Y2O3、HfO2的结晶温度不超过400°C[12,13]。
栅介质的发展方向将是提高薄膜的组成和厚度均匀性、减少微观缺陷和降低制备成本。目前,有机聚合物绝缘层如PVP和PMMA以及有机/无机复合介质可能是一个有意义的努力方向。
3 ZnO基TFT统计
表1列出最近5年发表的ZnO基 TFT主要工作结果,反映了当前国际上ZnO基 TFT工作的水准[4,6,10,11,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68]。表1中BT、TB、BB和TT分别表示底栅顶接触、顶栅底接触、底栅底接触和顶栅顶接触器件结构。有源层采用脉冲激光沉积(PLD)[4,11,14,15,17,19,34,36,40,53,54,56]、射频磁控溅射[6,10,18,20,21,22,24,25,26,27,30,31,32,33,35,36,37,38,39,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,55,57,58,59,61,62,64,68]、分子束外延[16,41]、溶胶-凝胶或溶液过程[28,29,42]、固相反应外延[11,65,67]和反应电子束蒸发[23] 制备,厚度在10-250 nm之间。图形的形成方法包括光学光刻[4,10,14,16,19,21,23,24,25,26,31,33,34,35,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,53,54,56,58,60,61,62,63,64,65,66,67,68]、掩模[6,15,17,18,20,22,25,36,37,38,51,52,57,59]和电子束光刻[55]或者光学光刻+掩模[27,28]。表1中所列的迁移率不同的作者采用的计算方法不一致,包括从转移或输出特性计算的饱和迁移率μsat[4,10,11,15,16,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,34,35,36,38,40,42,43,44,45,46,48,49,50,53,54,56,60,61,62,63,64,66,68]、有效迁移率μeff[41,47]、场效应迁移率μfe[14,17,33,39,55,58,59]以及从基本电荷模型计算的增值迁移率μinc[37,51,52,57],个别文献未指明何种计算方法[6,47,65]。这些结果均在室温、环境光或暗室中测试(ref.33为77 K)。
续表1
4 半导体/栅介质界面的修饰
半导体/栅介质界面要求厚度小、平整、无互扩散和化学反应,同时要求界面态密度控制在1011 cm-2eV-1以下。界面平整有助于减少反型层电荷的散射。界面扩散或化学反应将改变半导体层和介质的组成和化学性质,影响反型层的形成和降低介质的绝缘性能。界面不匹配,或者说存在大量的悬挂建或带电陷阱,即使TFT没有施加栅压,源、漏也可能有大的电流通过,从而导致关态电流大、开关比小和阈值漂移,器件特性可能存在大的迟滞特性,导致器件的可靠性和重复性差。R. Hayashi等[69]在以IGZO为有源层的TFT的SiON栅介质引入氧的浓度梯度,在靠近沟道的介质具有较高的氧含量,阻止了半导体表面的氧原子向栅介质的扩散,从而大大减少了界面缺陷。H.H. Hsieh等[31]制备的ZnO TFT采用了HfO2/Al2O3堆垛介质,认为高介电常数HfO2与半导体层相邻有利于改善界面质量。界面修饰的另一项重要工作是减小与半导体层相邻的绝缘层表面的粗糙度或增加界面的结合力,可以采用合适的沉积方法或沉积条件以减少界面悬挂键以及反型层电荷在界面的散射,从而起到改善TFT特性的作用。在底栅顶接触的ZnO TFT中,以CVD制备的SiO2/SiN/AlN为栅介质的器件的饱和迁移率和开关比分别比以SiO2/SiN为栅介质的器件高2倍和一个数量级,其原因是界面一侧的AlN薄膜的表面粗糙度要小得多[15]。
5 退火对ZnO基TFT性能的影响
合适的后续退火可以提高器件的迁移率和改善器件的稳定性。P. Barquinha等[46]研究氧气氛退火(高达500°C)对射频磁控溅射IZO TFT的影响,发现开关比减小、Von减小到小于0 V且在250°C具有较好的综合性能,认为这是IZO/ATO界面改善的缘故。H. Hosono等[56]发现PLD制备的a-IGZO TFT在300°C以上退火带尾强度(2.0~3.7 eV)显著减小,同时TFT的迁移率明显增加,该温度比退火结晶温度(500°C)低得多,EXAFS结果表明金属阳离子的配位数和阳离子-氧键长没有明显变化,说明退火过程未发生薄膜结构的松弛。A. Suresh等[70]对PLD制备的InGaO3(ZnO)5在低温下氧气氛中退火可使薄膜的电导降低4个数量级,但Hall迁移率的变化不大。H. Q. Chiang等[57]对IGZO TFT在有源层溅射沉积之后,在200~800°C之间及N2或空气中进行后续退火,在500°C以下,场效应迁移率随退火温度的增加而增加,最大达~16 cm2/Vs,其原因是退火改善了半导体/绝缘层界面,界面处发生原子重排、化学键的有序性增强;但当退火温度高于600°C,温度增加迁移率减小,其原因可能和有源层的晶化和分相有关;对于Von,在400°C以下退火,Von随退火温度增加而减小且为负值,高于400°C退火,Von值在0~10 V之间;在400°C以上退火,退火温度对TFT I-V特性的影响起主要作用,有源层沉积参数如氧气含量和功率的影响甚微。
6 光辐照对ZnO基TFT特性的影响
在可见光特别是紫外光的照射下,由于沟道层的光生载流子使沟道电导发生显著变化,这对于AMLCD或AMOLED的应用是要避免的,但对于光敏器件却是所要求的。P. Barquinha等[32]研究了保存时间、可见光辐照和加热温度对室温下制备的ZnO TFT特性的影响,结果如表2。由于器件是底栅顶接触结构,制备之后有源层的背表面暴露在大气中,水分子在薄膜表面的化学吸附产生了施主电子从而改变了材料的本征电导行为,同时界面发生降级,导致TFT的特性发生了变化。当TFT器件在90°C下测试,热激发松动的陷阱电子使开态电流增加,导致开关比的减小和其他参数的变化。在强度为20 mW/cm2的白光照射下,由于紫外部分光子的作用,沟道产生光生载流子,使开关比降低而其他参数几乎没有变化。从I-V特性观察到上述的温度效应和光照效应是可逆的。P. Barquinha等[49]还研究了不同辐照光波长(380~650 nm@1mW/cm2)和功率密度(0.17~1 mW/cm2@380 nm)对IZO TFT特性的影响。随着波长减小,器件的开关比、开启电压、阈值电压和饱和迁移率都呈明显减小的趋势;功率密度增加,除了迁移率几乎维持不变,其他参数呈递减的趋势,TFT特性变化最明显的是器件的工作模式从n沟道增强型转变耗尽型,而且该转变瞬间可逆。其原因是半导体层存在的施主缺陷在半导体/绝缘介质界面产生离子和库仑散射。D. C. Paine等[43]观察到a-IZO TFT在紫外照射下也有类似的特性转
变。H.S. Bae和 S. Im[36]通过实验指出ZnO TFT在340 nm、1.26 mW/cm2紫外光照射下在栅压为40 V时沟道的最大电流由1.7 μA增加到50 μA,其原因是半导体导带底存在2.3 eV的深能级。这类TFT在紫外光探测器件有很好的应用前景。K. Lee等[20]制备了紫外敏感的顶栅ZnO TFT,在364 nm紫外光照射下,当器件处于累积模式及10 V栅压下观察到光-暗电流比为50,而耗尽模式及0 V栅压下光-暗电流比高于104。A. Suresh等[70] 采用PLD法制备了InGaO3(ZnO)5薄膜,没有发现可见光电导相应。
7 ZnO基TFT的偏压稳定性
在偏压作用下ZnO基TFT的I-V特性会发生漂移,这在使用过程中是不允许的。R.B.M. Cross和M. M. Desouza[71]发现溅射法制备ZnO TFT在-30~100 V栅压作用下存在两种相互竞争的机制,当正、负偏压较小,由于沟道/绝缘层界面的暂态带电陷阱,阈值电压分别向正、负方向漂移,而亚阈值斜率不变。在长时间高偏压应力作用下,亚阈值斜率先增加然后减小,其原因是ZnO带隙内暂态缺陷的产生变得重要。TFT特性在短时间内自然恢复到原来的状态,而无需热或偏压恢复过程。H.Q. Chiang等[57]发现a-IGZO TFT的长时间偏压稳定性与开启电压Von的初始值有关,Von趋于0 V时,在常偏压应力作用下TFT器件显示出很高的稳定性。A. Suresh和J.F. Muth[72]发现PLD a-IGZO TFT在负偏压下,阈值电压不变,其原因是沟道/绝缘层界面的电子耗尽,从而没有可供带电陷阱和隧穿的移动电荷;正偏压下阈值电压的正偏移和作用时间的对数成正比,其原因是被沟道/绝缘层界面陷阱捕捉的或注入绝缘层的负电荷在栅电压作用下形成负电荷屏蔽。退火可改善沟道/绝缘层界面和改善原子间的键合,从而提高器件的偏压稳定性。
8 ZnO基TFT国内外研究概况
由于其优越的性能和潜在的应用前景,ZnO基TFT最近几年引起广泛的关注,国外一些大学、研究所和公司纷纷投入了大量的人力物力进行开发,目前美国Oregon州立大学的J.F. Wager和东京理工大学的H. Hosono领导的研究小组处于领先地位,韩国的三星先进技术研究所和LG公司在IMID2007上发表8.9 cm和10 cm高分辨率的a-IGZO TFT驱动的有机EL显示器,其可靠性及迁移率比有机TFT、非晶Si-TFT要高,均一性优于低温多晶Si-TFT。三星电子在2008年SID年会上展出了38 cm采用a-IGZO TFT阵列的XVGA AMLCD。在国内,从作者掌握的信息看,中科院长春光学与精密机械研究所和北京交通大学光电子技术研究所分别正在从事MOCVD和射频磁控溅射ZnO TFT的研制,西安交通大学光子信息技术重点实验室在采用激光技术外延制备掺N的n沟道增强型ZnO TFT获得进展,结果为场效应迁移率2.7 cm2/Vs、开关比104、阈值电压5.2 V[16]。上海大学新型显示技术与应用集成教育重点实验室采用射频磁控溅射法制备的ZnO TFT的场效应迁移率和开关比分别达到2.5 cm2/Vs和106。上海广电电子股份有限公司在国际上首次采用粉末靶制备成功a-InGaZnO4 TFT,获得的饱和迁移率、开关比和阈值电压分别为8.4 cm2/Vs、2.6×105和15.2 V。
9 ZnO基TFT存在的主要问题及其应用前景
可能就在数年之内,a-Si∶TFT将逐渐被p-Si∶TFT所取代,而ZnO基TFT和OTFT也将成为强劲的竞争对手。ZnO基TFT作为AMLCD、AMOLED背板的开关元件已显露出明显优于当前大规模生产的a-Si∶H TFT的性能,在紫外光探测器方面也有可喜的应用前景。目前已制备成功ZnO和IGZO TFT阵列,但要实现像a-Si∶H TFT那样的产业规模,至少在以下几方面还需做出艰苦的努力:1)目前受推崇的制备ZnO基有源层的方法是PLD和射频磁控溅射,但工艺窗口十分狭窄,有必要开发更好的有源层沉积技术;2)由于有源层多为热力学上亚稳定的非晶态,在使用过程中器件的特性可能发生不允许的漂移或退化;3)器件的长时间使用可能因温度升高而使TFT特性发生改变;4)ZnO基有源层的光学带隙在3~4 eV之间,可见光特别是紫外光辐照将产生为数众多的光生载流子,器件的特征参数将发生显著改变;5)大尺寸、高分辨率TFT阵列的生产难于使用廉价的低污染的金属掩模板,而目前至少需要4次光刻技术,制作成本难于降低而且可能存在污染问题;6)目前已开发了四元组成的IGZO TFT,比ZnO TFT有更好的稳定性和可靠性,四元以上的有源层材料如In-Ga-Sn-Zn-O的开发是进一步提高TFT性能的一个可能方向;7)制备与有源层界面优良、缺陷少的高质量介质,在材料选择和沉积工艺优化还有大量工作要做;8)低电阻源、漏及栅电极材料开发、沉积工艺以及与有源层或栅介质的界面匹配研究,以适应新的有源层和栅介质材料的不断开发。在上述问题中最为突出的是如何实现大尺寸阵列基板上各个像素性质特别是迁移率和开关比的均匀性。
有机薄膜晶体管 第3篇
关键词：半导体性碳纳米管,聚合物,印刷电子,薄膜晶体管,光响应特性
印刷电子技术是科技发展的成果, 作为一门新型技术, 被广泛应用于生活中的各个领域当中, 该项技术也成为了现如今科学与工业的焦点技术之一, 作为一种非接触式直接因数技术, 该项技术能够将墨水准确的定位在所需要的位置上, 在根本上实现了经济性原则, 避免了材料的浪费, 降低了器件的使用成本, 目前, 该项技术的研究与应用已经成为了一种主流的技术, 由此可以说明, 对其进行深入性人研究是非常有现实意义的。
一、关于半导体碳纳米管薄膜晶体光管电性能研究的相关实验
(一) 试验设备
电弧放电植被单壁纳米管一个, 甲苯, PFO DBT, 紫外线-可见-近红外线分光光度计一个, 超声检测仪一个, 气溶胶打印机一台, 半导体特性分析仪一台, 院子里显微镜一台。
(二) 半导体性单壁纳米管的制造过程
将4毫克的P2碳纳米管完全溶于具有一定含量的PFO DBT的甲苯溶液中, 在水浴中将其进行完全超深分散, 待其完全分散之后, 进行高速离心处理半小时, 并将大管束和金属管进行完全去除, 之后去上层悬浮液, 制造成半单体性单壁纳米管。
(二) 单壁碳纳米管薄膜晶体管的制造过程
将富含硅的物质当作栅极, 介电层为二氧化硅。经过光刻结合的方式, 把电子束进行完全蒸发并沉淀处理, 最终会得到厚度为80nm/Au/20nm Ti的叉齿电极作为源漏电极。其器件的沟道长度经过测量, 分别为20微米和200微米。这样的沟道一共有3个, 其灌肠的比例为30比1.
利用打印的方式, 将已经制作好的半导体纳米管墨水的沉淀在实现准备好的器件中, 在进行具体工作的过程中, 利用带有导电电极的Si/Si O2做衬底, 利用氧气将其表面的有机物进行全面清除, 在常温下, 将已经处于分散状态的半导体碳纳米管的墨水在事先准备好的器件中进行打印, 当墨水干燥后, 利用甲苯溶液冲洗若干遍, 使用氮气将其完全干燥[1]。利用甲苯对其进行冲洗的根本原因在于, 残留在器件上的有机物会对半导体性碳纳米馆的截流子传输造成一定的影响。令试验结果失真。关于碳纳米管薄膜晶体管迁移率计算方式如下:
(四) 性能测试工作
利用在上文中提到的分光光度计将半导体碳纳米管墨水的光谱进行完全吸收。碳纳米管分离前后的特征情况利用光谱仪来完全表示。碳纳米管薄膜外形形态刻印利用院子里显微镜来进行全面表征。期间光电响应和光学性能利用分析仪进行全面测试。
二、相关实验结果
(一) 光谱吸收与拉曼光谱被聚合物包覆碳纳米管的吸收情况
聚合物PFO DBT包裹P2碳纳米机关之前与之后吸收光谱沉淀物与聚合物吸收光谱图的情况。 (详见图1) 。
在图1中, 我们可以清楚的看到, 途中曲线a, b, c代表了分离前与分离后, 以及聚合物光谱的吸收情况。且从图1能够看出, 碳纳米管经过全面分离之后, 在600---800纳米地方, 金属物质有消失的迹象, , 在900-1200纳米处, 半导体处于峰值状态, 该曲线走向较为尖锐, 且背景吸收和之前相比, 呈现出了低走势的趋向。这种情况的出现在一定程度上说明了在经过离心处理之后。碳纳米管束与金属纳米管已经被选择性的去掉了。因此, 也得到了纯度相对较高的板导体性纳米经管, 该物质主要是以单根式存在的, 其细微颗粒呈游离状态分散在甲苯中。PFO DBT聚合物和半导体碳纳米管在甲苯中呈现出了完全包裹的形态, 该物质被选择性分散[2]。
为了更加有力的说明已经被分离之后的纳米管, 可以利用共聚焦拉板光谱仪在适合的激光下对碳纳米管分立前后的曼拉光谱进行全面测定, 该曲线图在图1中的B曲线已经被详细的说明。我们在图1B中能够清楚的看到, 对于分立前后的纳米管G峰值波动较大从图中可以看出, 分离前的碳纳米管G缝较为明显, 产生这种曲线走势的根本原因在于, 在金属纳米管中连续性电子声子相互作用所造成。聚合物PFO DBT被完全离心处理之后, G-也就变得异常尖锐, 其中G+和G-的积分面积也比未分分离前相关值要大。另外, 对分离后的碳纳米管观察可见, 在其中出现了为数众多的散射峰。这种情况在根本上说明了PFO DBT的选择包覆了半导体纳米管。
(二) 碳纳米管簿晶体管电学特性
通过专业化分析仪对碳纳米管薄晶体管电学的导电类型进行全面分析, 测定出其导电类型为P型。详见图2分析, 在图2中, 我们可以看到, 利用打印方式制造出的晶体管转移曲线与输出的特性曲线, 在额定条件为Vds=2vf, v GS=-40----40v额定值的时候, 对器件进行全面测试, 最终得出该关比和迁移率值均较高。
对碳管密度数值不同进行研究结果如图3所示, 从图中我们可以清楚的看出, a b c是不同浓度碳管的AFM示意图, 经过计算的得出, 碳管的长度通常是在1—2微米之间, 其薄膜之高度起伏仅仅在1—3纳米左右, 由此可以说明, 该薄膜的主要组成部分为碳管以及少量小管束过后成, 在D中分别表示的三条去此案, 是3A—C的转移曲线, 随着纳米管自身密度的增加, 其开态电流也会在一定程度上增强。关闭状态电流也是如此。出现这种现象的根本原因在于, 子传输路径已经被截留, 这样有利于电流本身的传送。
从图4中我肯可以看出, 光照轻度不同会对器件的特异性转移造成一定的影响, 其转移曲线也在随之变化中。开态电流并不随着光照的增强发生变化, 而关态电流却会随之变化, 增强。造成这种现象的根本原因在于光照的增强, 会令聚合物PFO DBT形成正电荷, 电荷一旦曾对, 就会被捕获在聚合物PFO DBT的界面中, 令开态和关态电流同时增加。
结束语
利用聚合物PFO DBT将碳纳米管进行全面包覆的方式, 所制作出来的半导体碳纳米管墨水材料, 从上述提到的检验方式能够充分将其证明, 聚合物PFO DBT能够职能分辨出选择性包覆P2半导体碳纳米管, 在对其进行晶体薄膜印刷的时候, 体现出了极佳的导电性能。且该物质同时具有较强的光敏感特性, 利用该项原理可以广泛已应用于对光电开关, 太阳能电池的制作, 是一项先进的技术。
参考文献
[1]Tekin E, Smith P J, Hoeppener S, van den Berg A MJ, Susha A S, Rogach A L.Feldmann J, Schubert U St Inkjetprinting of luminescent Cd Te nanocrystal——polymer conlpos——itesr[J].Advanced Functional Materials, 2007, 17 (1) :2328.
有机薄膜晶体管 第4篇
随着柔性薄膜晶体管的发展, 研究人员致力于在新型衬底上制备薄膜晶体管, 找到成本更加低廉, 更适合工业化生产的方式。2008年Fortunato E等[6]在纤维素纸张上制备出了纸张薄膜晶体管。该器件在制备过程中将纤维素纸张同时用作晶体管的衬底和栅介质材料。这让研究人员看到了一个全新研究方向:在纸张上制备薄膜晶体管[7,8,9,10]。纸张具有价格低廉、来源广泛、节能环保等特点。但是常规纸张薄膜晶体管因为纸张表面粗糙、工艺温度过低等原因, 制备的器件同样存在工作电压过高的问题。本研究采用新型栅介质, 通过更加简单和成本更加低廉的工艺, 制备出了低能耗、低成本、高性能的纸张薄膜晶体管, 很好地解决了常规纸张薄膜晶体管中出现的高工作电压等问题。
本实验制备的超低压ITO基壳聚糖电解质薄膜晶体管采用本实验室独创的一步掩膜法同时制备源、漏电极和沟道层。在射频磁控溅射制备薄膜晶体管过程中, 当Ni掩膜板与栅介质层之间存在一定空隙时将发生绕射现象, 源、漏电极之间生成厚30nm的薄膜, 而这层薄膜足以充当沟道层, 基于这个原理本实验室开发出一步掩膜法制备工艺[11], 此制备方法过程简洁方便, 节约资源。采用的壳聚糖[12,13]是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的, 化学名称为聚葡萄糖胺 (1-4) -2-氨基-B-D葡萄糖。壳聚糖的氨基能被酸质子化而形成胺盐, 因此, 壳聚糖能溶于各种酸性介质, 例如稀的无机或有机酸溶液 (pH≤6) , 制备出的壳聚糖薄膜具有成膜性好、薄膜质量高、电容值大等特点。本研究制备的纸张薄膜晶体管具备低电压、低成本、制备流程简单等特点, 同时, 壳聚糖制备及使用过程简单环保, 符合当前环境友好、可持续利用的要求[13,14], 制备出的纸张薄膜晶体管因其成本低廉、环保节能、高性能等特点, 有望广泛应用于电子纸、柔性显示屏等领域。
1 实验
在制备纸张薄膜晶体管前需先配备好壳聚糖溶液备用:先配制pH=3的醋酸溶液作为溶剂, 再称取5.00g壳聚糖, 溶于200mL醋酸溶液中, 配制成质量分数为2%的壳聚糖溶液, 利用磁力搅拌器采用边搅拌边加热的方式加快壳聚糖的溶解, 将制备好的壳聚糖电解液密封备用。
实验所用器件基于底栅结构, 首先采用普通纸张作为衬底材料, 通过射频磁控溅射在纸张上沉积一层厚约200nm的ITO薄膜, 用来作为栅极;然后, 将配制好的壳聚糖溶液旋涂在ITO基板上, 在室温下无尘环境中风干成膜;最后, 在室温下利用射频磁控溅射通过一步掩膜法同时生成ITO源、漏电极和沟道层。如图1所示, 在生成的壳聚糖薄膜层表面固定一块镍掩膜板, 在0.5Pa的Ar气环境中射频磁控溅射沉积一层厚约200nm的ITO源、漏极, 溅射出的ITO颗粒会通过衍射作用进入并沉积在镍掩膜板覆盖的区域, 这样在ITO源、漏极形成的同时, 两极之间由衍射形成了一层薄薄的ITO沟道层。沟道层最薄处厚度约30nm。沟道长度及宽度分别为80μm和1000μm。通过场发射扫描电镜测试 (Hitachi S-4800SEM) 测得壳聚糖薄膜层截面形貌图, 见图2。由图2可知, 壳聚糖薄膜呈疏松层状结构, 这种结构在一定程度上有利于质子输运过程, 增加薄膜的离子导电性。此外, 器件的电学特性则由Keithley4200半导体参数分析仪在室温下黑暗环境中测试得到。
2 结果与讨论
本实验中, 由壳聚糖制备的电解质薄膜具有高达3.8μF/cm2的双电层电容。在纸张衬底上, 采用全室温工艺, 制备出高性能低耗能的薄膜晶体管。本研究根据壳聚糖的分子结构以及得到的实验结果, 对壳聚糖电解质薄膜产生双电层电容的原理进行了推导。壳聚糖的化学结构如图3所示, 壳聚糖中的NH2基团之间存在分子内和分子间氢键。当将壳聚糖溶解于酸性溶剂中时, 由于最外层电子排列为2s22p3, 容易与H+形成sp3杂化轨道, 因此溶剂中的H+与壳聚糖结构上的NH2基团间形成化学键, 分子间氢键断开, 壳聚糖溶解于酸性溶剂中。在干燥成膜时, 因化学键作用H+被束缚在壳聚糖分子内, 当对TFT (Thin film transistor) 的栅极施加偏压, 形成外电场时, H+脱离壳聚糖上NH2的束缚, 向栅绝缘层与沟道层的界面移动, 形成双电层。壳聚糖薄膜双电层的制备厚度是4μm, 而实际有效的厚度仅为1nm, 这就是制备出的器件具有超低工作电压的主要原因。除此之外, 壳聚糖作为有机大分子物质, 分子化合键使其可以更好地贴合在纸张衬底上, 有机物良好的柔韧性也使其能够适应柔性衬底的随意扭曲。
图4为测得的壳聚糖薄膜晶体管的电容特性曲线。由于壳聚糖栅介质的双电层效应, 器件表现出很高的电容值。
由图4可知, 测量频率由40Hz扫描至10000Hz, 在40Hz时电容达到最大值 (3.8μF/cm2) , 栅介质的高电容使栅极电压可以对源、漏电流进行更有效的调控, 降低器件的工作电压。图5为室温下壳聚糖栅介质的栅极漏电流曲线图。在Vgs=1.0V时, 偏压下漏电流约为7×10-9 A, 这说明壳聚糖电解质具有十分优越的离子导电性和电子绝缘性, 该漏电流比沟道电流小了7个数量级, 因此, 在器件工作时, 源、漏电流Ids不会受到栅极漏电流的影响。
图6为测得的壳聚糖薄膜晶体管的输出特性曲线图, Vgs由-0.8V扫描到0.6V, 每次增加0.2V。由图6可以看到, 在Vds较小时, 器件的Ids与Vds表现出较好的线性关系, 在较高的Vds时则出现良好的电流饱和特性, 这表明ITO沟道层与ITO源、漏电极之间拥有良好的欧姆接触。晶体管工作在偏压Vds=0.8V和Vgs=0.6V下具有较高的饱和电流, 约为0.67mA。由于双电荷层效应, 本器件显示出0.8V的超低工作电压。
图7为器件的转移特性曲线 (Ids-Vgs) 。由图7可知, Vds固定为1.0V, 栅压Vgs由-1.0V扫描至1.0V, 器件的开关电流比高达1.2×107, 亚阈值斜率S为80mV/decade。由曲线Ids-Vgs可知器件的阈值电压Vth为-0.1V。饱和区域的场效应离子迁移率可由式 (1) 求得。
式中:L为沟道长度 (80μm) , W为沟道宽度 (1000μm) , Ci为单位面积电容 (3.8μF/cm2) 。通过计算可得, 饱和区场效应迁移率μ约为8.1cm2/ (V·s) 。具有高电容的双电层栅介质保证了良好的栅极静电调控, 高迁移率的ITO材料的应用可以保证器件具有较大的输出电流, 二者结合, 能制备出低能耗、低成本、高性能的柔性纸张薄膜晶体管。
3 结论
在室温下, 采用简单的溶液处理方法制备出了具有高电容的壳聚糖栅介质。壳聚糖不仅来源广泛、价格低廉且节能环保。在制备源、漏电极和沟道层时采用的一步掩膜法, 制备工艺简单、操作方便, 制备出的基于壳聚糖电解质的ITO基纸张薄膜晶体管不仅具有0.8V的超低工作电压, 并且表现出良好的电学性能:场效应饱和迁移率达到8.1cm2/ (V·s) , 亚阈值斜率为80 mV/decade, 开关电流比为1.2×107。这种成本低廉、环保节能且性能优越的纸张薄膜晶体管有望广泛应用于电子纸、柔性显示等领域。
摘要：采用一步掩膜法通过射频磁控溅射设备同时制备源极、漏极以及沟道层, 采用具有双电荷层效应的壳聚糖薄膜为栅介质, 成功制备出以纸张为衬底的超低压薄膜晶体管。这种柔性衬底薄膜晶体管具有良好的电学性能:超低的工作电压 (仅为0.8V) , 场效应迁移率达到8.1cm2/ (V·s) , 亚阈值斜率为80mV/decade, 开关电流比高达1.2×107。
关键词：纸张薄膜晶体管,超低压,ITO,壳聚糖,双电层效应
参考文献
有机薄膜晶体管 第5篇
关键词：Cr掺杂,ZnO薄膜,蓝移,磁控溅射法
0 引言
ZnO作为新一代直接带隙的宽禁带半导体材料具有广泛的应用,如ZnO薄膜可以制成压电器件、太阳能电池的透明导电膜、表面声波谐振器以及GaN蓝光薄膜的过渡层等[1,2]。ZnO具有纤锌矿结构,禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,可以实现室温下的激子发射。近年来,人们除了对ZnO 薄膜进行了广泛的研究外,还研究了不同金属掺杂的ZnO 薄膜[3,4,5,6],对ZnO掺杂后所起到的对基体材料特性的调制作用非常值得期待。
Cr是一种典型的过渡金属元素,具有非常丰富的电子壳层结构,Cr3+与Zn2+的半径接近,很容易进入ZnO晶格,实现替位式掺杂。许多课题组研究了Cr掺杂ZnO薄膜的磁性[7,8],但是,Cr掺杂对ZnO薄膜的结构和光学性能的影响却少有报道。本实验采用磁控溅射法制备了Cr掺杂ZnO薄膜,并研究了其晶体结构和光学特性,分析了不同含量的Cr掺杂ZnO薄膜的禁带宽度变化,讨论了薄膜中Cr含量与紫外吸收区光吸收能力的关系,为发展禁带宽度可调半导体材料提供了实验依据。
1 实验
1.1 薄膜的制备
以普通载玻片为衬底,将其置于无水乙醇中超声清洗20min,然后置于丙酮溶液中超声清洗20min,再用适量的去离子水冲洗,烘干待用。利用GP 500D1型超高真空多功能磁控溅射设备,采用交替溅射法制备不同Cr掺杂浓度的ZnO薄膜样品。靶材是直径为60mm的ZnO陶瓷靶(99.99%)、Cr金属靶(99.95%),本底真空度优于4.0×10-4 Pa后,向溅射室内通入高纯O2(99.999%)和Ar(99.999%)作为反应气体和工作气体,衬底温度400℃、压强1.5Pa、氩氧比9∶4(气体质量流量比)、射频功率150W、直流功率128W。为了便于比较分析,首先通过溅射时间来控制薄膜的厚度,这里固定ZnO的沉积时间,改变Cr的溅射时间来控制Cr的掺杂浓度。固定交替溅射时ZnO的厚度为14nm,Cr的厚度分别为0.6nm(样品B)、1.5nm(样品C)、2.4nm(样品D),周期为8,得到一系列样品。溅射实验结束后,为了使Cr离子能够融合到ZnO的晶格中,对样品进行退火处理,其真空度为3.0×10-3Pa,退火温度为550℃,退火时间为1h,然后随炉冷却。另外还溅射制备了纯ZnO薄膜(样品A)。
1.2 薄膜的表征
采用Rigaku Dmax-2500型X射线衍射仪(Cu Kα射线源,λ=0.15406nm)检测薄膜的晶体结构;采用掠入射角进行2θ扫描,扫描角度(2θ)为20～80°;采用JEOL JSM-6700F扫描电子显微镜附带的能谱仪(EDS)确定Cr 的含量;采用美国PHI-1600 ESCA多功能X射线光电子能谱仪对样品进行XPS分析;采用F-4500型荧光分光光度计测试薄膜的光致发光(PL)谱,激发光波长为325nm;采用瓦里安Cary 100型紫外-可见分光光度计测量薄膜的透射谱,测量范围250～650nm。所有测试都在室温下进行。
2 结果与讨论
利用EDS对Cr的含量进行分析,图1为样品B的EDS能谱。图1中在0.25keV位置处出现了C的特征峰,在8.05keV处发现了Cu的特征峰,它们主要来源于测试过程中Cu网及其表面C膜;EDS中出现的Au峰,是因为薄膜的导电性能差,为了方便分析,给薄膜喷上了一层Au;在0.52keV处出现了O的特征峰;在1.01keV、8.64keV和9.62keV处出现了Zn的特征峰;在0.54keV、5.38keV和5.82keV处出现了Cr的特征峰,通过拟合计算可得到Cr的含量约为2.0%。为了精确分析Cr的掺杂情况,利用EDS对其它微区也进行分析,发现Cr含量变化不大。由此可见,掺杂的Cr基本能全部进入ZnO晶格,并在其中无序均匀分布。用同样的方法也可以得到样品C和样品D中Cr的含量分别为5.0%、7.0%。
图2为Zn 0.98Cr0.02O样品中Cr2p3/2和Cr2p1/2能级的XPS能谱。由图2可知,Cr2p3/2峰形比较规则对称,峰值位于576.6eV附近。不同于单质Cr(574.2 eV)和Cr2+(576.0eV)的结合能态。但从Cr2p峰的峰形可以看出,它是由2个自旋轨道杂化而成的,这与Cr2O3中Cr2p3/2 (576.6eV)的结合能态接近,说明样品中掺杂的Cr原子是+3价。
2.1 薄膜的晶体结构
图3为不同掺杂浓度Zn1-xCrxO薄膜的XRD谱。在XRD检测范围内,没有探测到Cr及其氧化物相的存在,这表明掺杂到ZnO薄膜中的Cr3+是以替位原子的形式存在于ZnO晶格中,所有薄膜均表现为单相的六方纤锌矿型ZnO多晶结构。在衍射图谱中出现了ZnO的(002)和(103)衍射峰,并且呈现出沿(002)晶面即c轴择优取向生长,薄膜的这种择优取向生长是因为(002)晶面在六角结构中具有最低的表面自由能[9]。
与纯ZnO薄膜相比,Zn0.98Cr0.02O薄膜中(002)峰的强度增加,且(002)衍射峰的半高宽(FWHM)减小,这表明当Cr掺杂浓度为2.0%时,ZnO薄膜的结晶质量得到改善。造成这种现象的原因是Cr的掺入引进了新的成核中心,有利于ZnO晶体的生长。但是,当Cr掺杂浓度大于2.0%时,(002)峰的强度减小且FWHM增大,这意味着晶体质量下降。这主要是由以下2个原因决定的:(1)新的成核中心达到饱和;(2) Cr3+和Zn2+的离子半径不同,当大量的Cr3+替代ZnO晶体中的Zn2+时,产生更多的晶格畸变,使薄膜中的应力变大而影响了ZnO晶体的生长。
A、B、C和D 4个样品(002)衍射峰的峰位分别位于34.35°、34.36°、34.38°、34.49°,与薄膜中的应力有关。无应力的ZnO薄膜其(002)衍射峰的峰位位于34.43°[10]。从以上数据可以看出,随着Cr掺杂浓度的增加,(002)峰向高角度方向移动,这表明薄膜中的应力增加。通过XPS分析可知,薄膜中Cr的化合价为+3价,而Cr3+的离子半径(0.064nm)比Zn2+的离子半径(0.074nm)小,所以薄膜中存在张应力,使(002)峰向高角度方向移动。
在样品B中,由于Cr的掺杂浓度很低,由应力引起的晶格畸变非常小,所以与纯ZnO相比,样品B的(002)衍射峰的峰位几乎不变。但当Cr的掺杂浓度大于2.0%时,大量的Cr3+取代Zn2+,产生更多晶格畸变,使得薄膜中的应力增加,在XRD图谱中可看到(002)衍射峰向高角度方向移动。
2.2 薄膜的光学性质
图4为不同Cr掺杂浓度的ZnO薄膜的透射光谱。由图4可以看到,紫外吸收边随着Cr掺杂浓度的增加发生蓝移,表明光学带隙逐渐增大。为了确定样品的光学带隙,可应用Tauc公式:
α(hν)=A(hν-Eg)1/2
式中:α为吸收系数,A为常数,hν为光子能量,Eg为光学带隙。通过线性拟合(αhν)2与hν曲线上的α=0点得到光学带隙Eg。图5给出了拟合结果,可以看出薄膜的光学带隙随着Cr掺杂浓度的升高而增大,由377.5nm的3.285eV增大到366.9nm的3.380eV,这说明Cr的掺入可以改变ZnO薄膜的禁带宽度,这主要是由于Cr3+进入ZnO晶格中,并替代了Zn2+,同时提供更多的自由载流子使费米能级进入导带,从而使带隙增大,这也进一步证明了样品中主要存在的是Cr3+。在样品B、C和D中出现了一系列干涉带,在ZnO薄膜中却没有,说明Cr3+的加入改变了薄膜的表面性质。
图6为不同Cr掺杂浓度的ZnO薄膜室温PL谱。由图6可以看出,所有样品在370nm附近出现了较强的紫外发光峰,没有出现深能级发光峰。紫外发光峰来源于ZnO直接复合的激子发光,ZnO的激子束缚能高达60meV,远大于室温的热离化能(26meV),因此在室温下可以观察到激子发光峰。当Cr的掺杂浓度为2.0%时,紫外发光峰的强度增加,这是由于在此浓度下ZnO薄膜的结晶质量较好。但是,当Cr的掺杂浓度大于2.0%时,紫外发光峰的强度减弱,说明Cr的引入在一定程度上降低了ZnO薄膜的结晶质量,这与XRD分析结果一致。有研究发现相似的掺杂浓度可以使ZnO薄膜的紫外发射峰增强。例如,张洋等[11]利用溶胶-凝胶法制备Ag掺杂ZnO薄膜,发现掺入Ag后可以改善紫外发射峰的强度,当ZnO薄膜中Ag的掺杂浓度较低时,有利于改善ZnO薄膜的光学性质,这与本实验得到的结论一致。
纯ZnO薄膜的紫外发光峰在3.281eV,随着Cr掺杂浓度的增加,紫外发光峰逐渐向短波长方向偏移,当Cr掺杂浓度为7.0%时,紫外发光峰移动到3.375eV。图7为由透射谱线性拟合得到的禁带宽度与PL谱得到的禁带宽度的比较图。通过比较,由透射谱线性拟合得到的禁带宽度略大于由PL谱得到的禁带宽度,这两种方法得到的禁带宽度变化趋势完全一致,并且都呈线性增长。可见,通过控制Cr的掺杂浓度可使ZnO薄膜的禁带宽度连续调节,这在光电器件中的应用是非常重要的。
3 结论
(1)采用磁控溅射法制备了具有六角纤锌矿结构的Cr掺杂ZnO 薄膜。XRD结果表明,随着Cr掺杂浓度的增加,(002)峰向高角度方向移动,这表明薄膜中的应力增加,在XRD检测范围内没有发现Cr及其氧化物的相。
(2)透射谱表明,通过改变Cr的掺杂浓度,可以使ZnO薄膜的吸收边向短波方向移动,并且薄膜禁带宽度可连续调节。
(3)PL谱显示,在370nm附近出现了紫外发光峰,且该发射峰源于自由激子的辐射复合。随着Cr掺杂浓度的增加,紫外发光峰的峰位向短波方向移动,这与吸收边移动的结果相吻合,由紫外发光峰峰位获得的禁带宽度与通过透射谱拟合得到的禁带宽度基本一致。Cr掺杂在2.0%时,样品具有很好的结晶质量和光学特性,此浓度为最佳掺杂浓度。2.0%的Cr掺杂可以提高ZnO的激子复合效率和紫外发光强度,而过量的Cr掺杂反而会降低其紫外发光强度。
参考文献
[1] Zhao Junfeng(赵俊锋),Chen Jianhua(陈建华),Wang Xu-hong(王旭红),et al.Studies on structure and IR spectro-scopic properties of Ni-doped ZnO crystal(Ni掺杂ZnO晶体结构和红外光谱特性的研)[J].Mater Rev:Res(材料导报:研究篇),2009,23(3):29
[2] Guo Miyan(郭米艳),Zhang Meng(张萌),Xiao Zonghu(肖宗湖).Preparation and characteristics of yttrium-doped ZnOthin films by Sol-gel process(YZO薄膜的Sol-gel制备及其性能)[J].Mater Rev:Res(材料导报:研究篇),2009,23(1):83
[3] Zhu Liping,Li Jiesheng,Ye Zhizhen,et al.Photolumines-cence of Ga-doped ZnO nanorods prepared by chemical vapordeposition[J].Opt Mater,2008,31(2):237
[4] Xue H,Xu X L,Chen Y,et al.Influence of Ag-doping onthe optical properties of ZnO films[J].Appl Surf Sci,2008,255(5):1806
[5] Choi Mu Hee,Ma Tae Young.Erbium concentration effectson the structural and photoluminescence properties of ZnO∶Er films[J].Mater Lett,2008,62(12-13):1835
[6] Wang X B,Song C,Geng K W,et al.Photoluminescenceand raman scattering of Cu-doped ZnO films prepared bymagnetron sputtering[J].Appl Surf Sci,2007,253(16):6905
[7] Li Luyan,Liu Hui,Luo Xiaoguang,et al.Ferromagnetismin polycrystalline Cr-doped ZnO films:Experiment andtheory[J].Song Solid State Commun,2008,146(9):420
[8] Elanchezhiyan J,Bhuvana K P,Gopalakrishnan N,et al.Realization of room temperature ferromagnetism in Zn1-x-CrxO thin films growth by RF magnetron sputtering[J].JAlloys Compd,2009,468(1-2):7
[9] Tetsuya Yamamoto,Hiroshi Katayama-Yoshida.Unipolarityof ZnO with a wide-band gap and its solution using codopingmethod[J].J Cryst Growth,2000,214-215(2):55
[10] Parmod Sagar,Shishodia P K,Mehra R M,et al.Photolu-minescence and absorption in sol-gel-derived ZnO films[J].JLumin,2007,126(2):800
有机薄膜晶体管 第6篇
霍普金斯大学正在就一种新型的低压电子负荷混合晶体管寻找一个产业化合作伙伴。这种有机场效应晶体管在压力范围0.1-10伏特间运行, 使其能够在构造复杂的有机电路中发挥作用, 如电子显示背板、阵列传感器、弹性放大器以及低级别存储标签 (RFID标签) 。
技术应用:有机电子
技术优势:
有机和印刷电路的检测运行通常在电压范围10-100伏特之间。这个电压范围对于很多电量有限的应用来说太高, 如小型电池或高频电源。通过印刷方法制造高电容栅极介电层通常受到高漏流等困扰, 这种高漏流会破坏晶体管的转化作用。
该技术可以通过使用以下材料来克服上述问题:
1、溶胶凝胶加工的电介质。该电介质可利用离子迁移率来增加电容。
2、一种新型的有机半导体。该半导体使用长的包装好的侧链作为自组织的阻挡层, 以减少电流泄漏, 甚至本身也可以作为栅极绝缘层的一部分。