基于离子束技术的氧化锌单晶薄膜制备及其阻变特性调控

Ion beam technology is of great value in microelectronics field, which is one of the core technologies to produce the hetero-integrated materials and can be used to tune the properties of the semiconductor materials and devices. As the problems of lattice mismatch, thermal expansion coefficient mismatch and high deposition temperature exist in the epitaxial growth techniques, ion-cutting technique based on the ion beam technology has the unique advantages to fabricate single-crystalline oxide thin films on polycrystalline metallic substrates, which supports the development of new semiconductor devices based on oxide thin films. In this project, single-crystalline ZnO thin films will be first prepared on the metallic substrates by ion-cutting technique, and then the resistive switching properties of single-crystalline ZnO thin films will be tuned by ion implantation. The research contents are as follows: exploring the exfoliation mechanisms of ZnO thin films by ion-cutting, studying the bonding technology for the ZnO bulk materials and metallic substrates, controlling the defects in the single-crystalline ZnO thin films via ion beam defect engineering, and investigating the resistive switching properties of single-crystalline ZnO thin films. The results of this research project will lay a theoretical foundation for the preparation of new hetero-integrated wide bandgap semiconductor materials by ion cutting and practically support the design of new semiconductor devices based ion beam technology.

离子束技术在微电子领域具有巨大的应用价值，是制备新型异质集成材料的核心技术，能够实现对半导体材料与器件性能的有效调控。离子束剥离及薄膜转移技术能够突破传统外延生长技术存在的晶格失配、热失配和高生长温度等问题，在多晶金属电极衬底上制备单晶氧化物薄膜方面具有独特的优势，能够为新型氧化物半导体器件的开发提供材料支撑。本项目拟采用离子束剥离技术首先在金属电极衬底上制备单晶氧化锌薄膜，然后利用离子注入调控单晶氧化锌薄膜的阻变特性。本项目主要研究内容包括：离子束剥离氧化锌单晶薄膜的机理研究；研究氧化锌单晶体材料与金属电极衬底的键合工艺；研究离子束缺陷工程对氧化锌单晶薄膜中缺陷的调控；氧化锌单晶薄膜阻变特性的研究。本项目的开展将为离子束剥离制备新型宽禁带半导体异质集成材料提供理论基础，为基于离子束技术的新型半导体器件调控与设计提供实践支撑。

硅是推动微电子技术革新和高速发展的材料基石，但硅不能满足所有电子器件的制备需求。基于其他材料如化合物半导体、宽禁带半导体和压电材料的器件和模块也是电子系统的必备组件。随着微电子技术发展进入“后摩尔”时代，微电子正由平面集成向三维集成方向发展，异质集成成为推动微电子技术继续发展的新动力之一。本项目利用离子束剥离与转移技术研究异质材料集成，实现金属衬底上的单晶氧化物薄膜的制备难点。离子束剥离与转移的科学问题本质是涉及表/界面的“断键与成键”，技术问题关键是研究离子束缺陷演化剥离和异质键合热应力。本项目按计划开展了离子束剥离ZnO等单晶氧化物薄膜的物理机制研究，研究H、He离子注入在氧化锌晶体材料中形成缺陷的过程及缺陷演变的物理过程；优化了ZnO单晶体材料与金属衬底的键合工艺，利用离子束剥离技术制备了ZnO等单晶氧化物薄膜异质集成材料；研究了He、Ne离子注入对ZnO单晶薄膜中缺陷的调控作用，设计并制备了基于氧化锌单晶薄膜的阻变器件，研究了ZnO单晶氧化薄膜的阻变机理，采用离子注入技术实现了单晶氧化物薄膜阻变特性的可控调节。