P型CuMO2(M=Al,Ga,In)薄膜晶体管的制备与电学性质研究

P-type oxide thin-film-transistor is the key part of complementary electronic circuits and transparent electronic circuits. It has a broad application prospect in the active flat pannel display, photoelectric sensor, memory, gas sensor and other fields. Since the majority of oxide semiconductors are intrinsic N type, so N type oxide semiconductor TFTs are widely report. Even a small amount of p-type oxide TFT reports, they are also low mobility, high driving voltage. Based on the successful experience of N type IGZO thin film transistors and the electronic structure theory of p-type oxide semiconductor, p-type CuMO2(M=Al,Ga,In) thin film transistors were proposed in this project. According to the theory of valence band chemical modification, metal copper cation closed shell level and oxygen ion 2p level have similar energy, which can obtain higher hole mobility. This project aims to prepare CuMO2 thin film transistor on silicon and ITO glass by pulsed laser deposition, investigating the process and components on carrier concentration, mobility and resistivity of the films, optimizing the interface of active and insulation layer, studying the contact properties of source and drain electrodes. It was expected to achieve high performance p-type thin film transistor devices.

P型氧化物薄膜晶体管是组成互补型电子电路和透明电子电路的关键部分，在有源阵列显示器、光电传感器、存储器和气敏传感器等领域有广阔的应用前景。由于多数氧化物呈本征N型，所以目前报道的主要是N型器件。即使有少量P型器件的报道，也存在迁移率低，驱动电压高等缺点。本项目借鉴N型IGZO薄膜晶体管成功的研究经验和P型氧化物半导体电子结构理论，提出制备以CuMO2(M=Al,Ga,In)薄膜为有源层的P型薄膜晶体管的研究思路。根据价带化学修饰理论，CuMO2中铜离子的闭壳层能级同氧离子的2p能级具有相近的能量，使得其价带顶频带展宽，从而获得高的空穴迁移率。本项目拟采用脉冲激光沉积在氧化硅片和ITO玻璃上制备CuMO2薄膜晶体管，研究工艺、组分对薄膜载流子浓度、迁移率和电阻率等电学输运参数的影响，优化有源层薄膜和绝缘层的界面特性，系统研究源漏电极的欧姆接触性质，并预期获得良好电学性质的P型薄膜晶体管。

由于金属氧化物薄膜晶体管(TFT)具有优异的电学性质和高的可见光透明度等优点，而被广泛的应用于下一代有源矩阵液晶显示器，有机发光二极管显示器和其他新兴应用电子电路。但是目前，具有高性能的氧化物薄膜晶体管主要由n型材料制备，如ZnO-TFT，SnO2-TFT、In2O3-TFT、InGaO-TFT、IGZO-TFT等。p型氧化物半导体材料的种类较少且难以制备出高质量的薄膜，与n型氧化物TFT相比，对p型氧化物TFT远远落后于n型氧化物TFT，这很大程度上限制互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的制备。本项目采用溶胶凝胶的方法，在SiO2/Si或石英玻璃衬底上制备CuAlO2薄膜。通过对薄膜表征发现，本实验制备的CuAlO2薄膜，在350℃和400℃进行干燥制备的薄膜有利于CuAlO2的结晶，在氮气气氛条件下经过1000℃退火处理的CuAlO2薄膜，在可见光范围内具有较高的光学透过率，较宽的禁带宽度（Eg=3.7eV），较大的晶粒尺寸和平整的表面。利用溶胶凝胶法制备底栅式TFT，研究了干燥温度、退火温度和沟道层厚度对器件各项性能参数的影响。通过电学性能表征，在350℃干燥和1000℃退火后的薄膜为器件的沟道层时，得到性能优化的TFT，这些结果表明，TFT性能强烈依赖于CuAlO2沟道层的结晶性和表面形态。在此基础上，然后本项目在氧化硅片上制备了以CuAlO2薄膜为P型有源层沟道，以二氧化硅为绝缘层的薄膜晶体管。并对薄膜晶体管的电学性质进行测试表征，研究了不同有源层厚度、不同源漏电极制备工艺对器件的场效应迁移率、输出电流、电流开关比、阈值电压、亚阈值摆幅等性能参数的影响，进而调整工艺和材料，最终获得电学性能良好的P型薄膜晶体管器件。其最高的迁移率接近CuO和Cu2O薄膜晶体管，表明铜铁矿结构的P型薄膜在场效应晶体管器件中有潜在的应用前景。