中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 徐伟东山东大学 2022年博士导师: 冯先进共138页

摘要 : 目前，薄膜晶体管(TFT)已经被广泛用作平板显示中的开关和驱动元件。传统的硅基TFT已经无法满足显示器件高分辨率、高响应度以及柔性化等新兴技术要求。这主要是因为硅基材料本身存在着许多缺点，例如非晶硅TFT具有低的迁移率和差的稳定性，多晶硅产生... 展开目前，薄膜晶体管(TFT)已经被广泛用作平板显示中的开关和驱动元件。传统的硅基TFT已经无法满足显示器件高分辨率、高响应度以及柔性化等新兴技术要求。这主要是因为硅基材料本身存在着许多缺点，例如非晶硅TFT具有低的迁移率和差的稳定性，多晶硅产生的晶界问题又会降低TFT性能的均匀性。相比于硅基材料，非晶的氧化物半导体(AOS)因具有优良的光电性能和均匀性而得到广泛研究，特别是铟镓锌氧化物(IGZO)自2004年以来一直是TFT领域的研究热点。然而随着研究的更加深入，IGZ0也暴露出许多难以被解决的问题，例如其相对较窄的光学带隙(Eg～3.2eV)导致IGZOTFT在紫外光照下容易表现出不稳定的器件性能;同时，IGZO TFT在其它外界因素影响下也呈现出不够理想的电学稳定性。因此，寻找一种更适合做TFT沟道层的AOS材料显得十分有必要。通过用Al元素取代IGZO中的Ga元素来形成铟铝锌氧化物(IAZO)材料，能够明显增大材料带隙的宽度和调制范围，有助于增强半导体薄膜及相关器件的光照稳定性。同时价格较高的稀有金属元素Ga被Al替换以后，将有利于降低薄膜和器件的制造成本。此外，Al-O键拥有更高的结合能，有助于增强对薄膜内载流子浓度的调控作用，进而提高半导体薄膜及相关器件的电学稳定性。因此，IAZO是一种很有应用前景的TFT材料。针对IAZO TFT目前存在的三个主要问题:关于IAZO TFT的基本制备工艺特别是与射频磁控溅射相关的研究很少并且器件性能有待提高;IAZO TFT的整体制备温度仍然较高，不利于其在柔性电子领域的应用;Al2O3和HfO2等高κ栅介电材料在IAZO TFT中的应用研究较为匮乏，本论文开展了一系列系统和深入的研究。本论文首先研究了退火处理、衬底温度、溅射功率对射频磁控溅射法制备的IAZO薄膜和TFT性能的影响，进而优化了IAZO TFT的基本制备工艺条件;其次通过使用紫外臭氧对IAZO薄膜处理实现了IAZO TFT的低温制备，利用双层IAZO薄膜结构实现了IAZO TFT的室温制备;最后探索和优化了Al2O3和HfO2栅介电层的生长条件及后处理工艺，获得了优良的IAZO TFT器件性能。本论文的具体研究内容如下: 1.IAZO薄膜和TFT基本制备工艺的探索与优化首先，本论文研究了退火处理对溅射法制备的IAZO薄膜性质以及不同电极材料对IAZO TFT性能的影响。研究结果表明退火处理能够有效调控IAZO薄膜的载流子浓度和其它电学性能。对于IAZO TFT，Au与IAZO之间形成了肖特基接触，IAZO TFT虽然表现出较高的饱和迁移率(μsat)，但是较大的扫描曲线滞回值将会严重制约该器件的进一步研究与应用。与之相比，Ti与IAZO之间形成了欧姆接触，相应IAZO TFT表现出非常理想的扫描曲线滞回值，但是器件的迁移率等性能还有待提高。其次，通过研究溅射衬底温度对IAZO薄膜和TFT性能的影响，发现溅射衬底温度为室温时制备的IAZO薄膜表现出相对更优的光电性能，并且IAZO TFT也具有更佳的整体电学性能。同时室温下溅射制得的IAZO TFT表现出令人满意的正偏压稳定性。最后，研究了溅射功率对IAZO薄膜和TFT性能的影响，发现低功率(90W)更适合制备光电性能优异的IAZO薄膜以及电学性能较高的TFT，这主要因为低功率下沉积的IAZO薄膜具有最少的缺陷。另外，在以上三部分的研究中，退火条件也是在不断优化的，IAZO薄膜和TFT的整体性能都随之获得了明显的提升。因此，通过探索和优化IAZO薄膜和TFT的相关基本制备工艺，证实了IAZO确实是一种合适的有源层材料，它在可见光区域的透过率极高并且光学带隙约为4.1eV，这远大于IGZO的带隙，预示着IAZO拥有更优异的光照稳定性;同时制得的IAZO薄膜的最大霍尔迁移率超过70cm2/Vs，预示着潜在的优异TFT电学性能。通过该部分的研究，制备出了饱和迁移率μsat达到12.08cm2/Vs、开关电流比(Ion/Ioff)为7.75×107，同时具有较小的扫描曲线滞回值(-0.19V)和阈值电压VT(-1.38V)的性能优良的IAZO TFT。 2.IAZO薄膜和TFT的低温及室温制备首先，研究了紫外臭氧处理对IAZO薄膜及TFT器件性能的影响。研究结果表明，经紫外臭氧处理后，IAZO薄膜的表面形貌变得更加光滑且平整，并且紫外臭氧处理能够有效调控IAZO薄膜的载流子浓度等电学性质。当紫外臭氧处理时间为5分钟时，IAZO薄膜可以获得最高的霍尔迁移率(29.4cm2/Vs);同时IAZO TFT也表现出相对最优的器件性能，尤其是较高的μsat(8.76cm2/Vs)和Ion/Ioff(6.44×108)。此外，经过5分钟紫外臭氧处理的IAZO TFT也展现出良好的负偏压光照稳定性，在3000秒负偏压光照应力下的阈值电压变化量只有-0.51V。因此，紫外臭氧处理能够有效地实现IAZO TFT的低温制备。其次，对具有双有源层结构的IAZO TFT进行了研究。当底层(高电子浓度)/顶层(低电子浓度)IAZO薄膜厚度分别为20/10nm时，IAZO薄膜可以获得最高的霍尔迁移率(23.3cm2/Vs);并且使用该有源层结构的IAZO TFT(栅介电层为SiO2)也呈现出相对最优的电学性能，包括较大的μsat(12.05cm2/Vs)、较高的Ion/Ioff(1.05×108)以及较小的VT(4.10V)、曲线滞回(0.22V)和亚阈值摆幅SS(0.93V/dec)数值，同时该器件也展现出相对理想的负偏压光照稳定性、正偏压光照稳定性和激光光照可靠性。在此基础上，将室温下溅射法制得的Ta2O5栅介电层与上述最优的双有源层结构相结合，实现了高性能IAZO TI可的室温制备，器件的μsat达到了19.56cm2/Vs、SS和VT分别低至81mV/dec和1.24V;同时该器件在正偏压光照应力和激光光照应力下的最大阈值电压变化量分别只有-0.78V和0.05V。 3.ALD法高κ介电层用于制备IAZO TFT 首先，本论文研究了ALD生长温度对Al2O3薄膜和IAZO TFT性能的影响。通过研究发现，当ALD生长温度为150℃时，Al2O3薄膜内拥有更多的金属-氧结合键、更少的内部缺陷以及与氧相关的表面吸附物;Al2O3薄膜在该温度下也展现出更加平整的表面形貌，其表面均方根粗糙度仅为0.18nm;并且该温度生长的Al2O3具有最大的相对介电常数(6.5)和最高的击穿电压(约为-25V)。就器件性能而言，Al2O3生长温度为150℃时所制备的IAZO TFT表现出相对最优的电学性能，包括较高的μsat(11.39cm2/Vs)和Ion/Ioff(1.25×108)以及较小的VT(0.32V)和SS(0.13V/dec);同时该器件也展现出理想的正偏压稳定性和激光光照可靠性。其次，本论文研究了紫外臭氧处理对HfO2薄膜和IAZO TFT性能的影响。经过紫外臭氧处理，HfO2薄膜内拥有更多的金属-氧结合键、更少的内部缺陷以及与氧相关的表面吸附物;并且HfO2薄膜表面的均方根粗糙度从0.101nm优化到0.051nm。与Al2O3相比，本论文制备的HfO2拥有更高的相对介电常数(超过15)。经过比较器件性能发现，对HfO2栅介电层进行紫外臭氧处理后IAZO TFT表现出更好的输出特性和转移特性，并且整体电学性能也获得了提升，包括更高的μsat(13.64cm2/Vs)和Ion/Ioff(1.18×107)以及更小的VT(0.67V)和SS(0.11V/dec)。收起

关键词 : 铟铝锌氧化物薄膜晶体管制造工艺光电性能

2. 氧化镁衬底铝铟氧化物薄膜的制备及特性研究

[学位论文] 李钊山东大学 2016年博士导师: 马瑾共155页

摘要 : 作为第三代半导体材料，宽带隙透明氧化物半导体材料由于其优良的光电特性，一直吸引着研究人员浓厚的研究兴趣，并在透明薄膜晶体管、发光二极管、紫外探测器、激光器、薄膜太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。当今大量使用的氧化物半导体薄膜材料... 展开作为第三代半导体材料，宽带隙透明氧化物半导体材料由于其优良的光电特性，一直吸引着研究人员浓厚的研究兴趣，并在透明薄膜晶体管、发光二极管、紫外探测器、激光器、薄膜太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。当今大量使用的氧化物半导体薄膜材料都普遍存在着一个问题即带隙宽度难以调节。随着透明光电子学和紫外光电子器件的不断发展，要求半导体材料的透明区域向深紫外波段扩展。为了满足透明电子器件和紫外光电器件快速发展的需要，非常有必要研究新型的、可调制禁带宽度的宽带隙半导体材料。Al2O3和In2O3均为直接带隙透明氧化物材料，其带隙宽度分别为8.7 eV和3.7 eV。铝铟氧化物(Al2xIn2-2xO3)薄膜材料可以认为是由Al2O3和In2O3两种材料按照不同比例组成的合金材料，可以通过改变材料中Al和In元素比例来实现材料的带隙在3.7～8.7eV范围内调制。要获得性能优良的Al2xIn2-2xO3薄膜使之成为新型的宽带隙半导体材料以满足光电器件快速发展的需要，对Al2xIn2-2xO3薄膜材料的制备工艺、生长机理、结构和光电特性进行深入系统的研究是非常必要的，不但具有科学意义而且具有一定的前瞻性和实际的应用价值，同时也会为此材料在透明光电器件方面的应用提供必要的参考价值。与分子束外延(MBE)和原子层沉积(ALD)方法相比，金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺更适合于工业的批量生产。本论文采用MOCVD制备薄膜材料，在制备工艺、生长机制、结构和光电特性等方面对Al2xIn2-2xO3薄膜材料体系开展了系统的研究。本论文主要分为四部分。第一部分:研究了不同衬底材料和生长温度等条件对In2O3薄膜的结构及光电性质的影响，制备了高质量的单晶In2O3薄膜;第二部分:制备Al2O3薄膜并研究了退火处理对薄膜的结构和光学性能的影响，成功制备出γ相Al2O3单晶外延薄膜;第三部分:在前两部分的研究基础上，开展了Al2xIn2-2xO3(0.1≤x≤0.9)薄膜的制备和性质的系统研究;第四部分:制备了新型材料Al-In-Sn-O（AITO）材料，主要研究了不同Sn含量对薄膜的结构、光学和电学特性的影响。（一）第一部分: 使用MOCVD方法，采用高纯In(CH3)3作为铟的有机源，以高纯O2为氧化剂，超高纯N2为载气，尝试采用不同衬底例如MgO、SrTiO3、KTaO3和蓝宝石等来制备In2O3薄膜，探索了不同的生长温度对In2O3薄膜的结构性质、光学性质和电学性质的影响。成功地在MgO(110)晶面上外延生长出高质量单晶In2O3薄膜，制备的薄膜具有立方方铁锰矿结构，并且600℃下薄膜的结晶质量最好。通过多功能X射线衍射仪(MFD-XRD)和高分辨透射电镜（HRTEM）详细研究了600℃下In2O3薄膜的生长机理和微结构，并给出了In2O3薄膜的外延生长关系示意图。MgO(110)衬底生长In2O3薄膜的面外外延关系为In2O3(110)∥MgO(110)，面内的外延生长关系为In2O3[001]∥MgO[001]和In2O3[(1)10]//MgO[(1)10]。薄膜的透过谱测试结果显示制备的薄膜在可见光区的平均透过率均超过了76％，其光学带隙变化范围为3.55～3.70 eV。薄膜的霍尔迁移率变化范围在2.593～6.813 cm2V-1s-1之间，载流子浓度在2.55～7.34×1018cm-3之间;电阻率在3.05～3.96×10-1Ω·cm之间。（二）第二部分: 采用Al(CH3)3为铝的金属有机源，以高纯O2为氧化剂，超高纯N2为载气，在700℃的温度下于MgO衬底(110)和(111)晶面生长出Al2O3薄膜，研究不同的退火温度对薄膜结构和光学性质的影响。退火温度设置为900℃、1000℃和1100℃。 (1)在MgO(110)衬底上生长Al2O3薄膜，XRD结果表明通过退火处理之后薄膜显示出γ-Al2O3相结构，并且具有γ-Al2O3(110)方向单一取向。比较不同退火温度下γ-Al2O3(220)衍射峰的强度和半高宽，得出1000℃退火处理后的样品具有最佳结晶结构。通过MFD-XRD和HRTEM研究了经1000℃退火处理的样品的生长关系和微结构性质，并给出了其外延关系:面外生长关系为γ-Al2O3(110)∥MgO(110)，面内外延关系为γ-Al2O3[001]∥MgO[001]和γ-Al2O3[110]//MgO[110]。退火前后的样品在可见光区的平均透过率均超过了84％，退火前薄膜的光学带隙为5.89 eV，1000℃退火处理后其光学带隙为5.81eV。 (2)MgO(111)衬底上生长的Al2O3样品经退火处理后显示出具有(111)取向的γ相Al2O3结构，但是含有微量的α相Al2O3成分。XRD结果显示1000℃退火处理后的样品具有最好的结晶度。通过MFD-XRD和HRTEM测量，详细研究了1000℃退火处理后的样品的生长机制和微观结构，并给出了γ-Al2O3薄膜的外延生长关系示意图。MgO(110)衬底上生长的Al2O3薄膜的外延关系为:面外外延关系γ-Al2O3(111)//MgO(111)，面内外延关系γ-Al2O3[1(1)0]∥MgO[1(1)0]和γ-Al2O3[0(1)1]∥MgO[0(1)1]。退火前后的Al2O3薄膜样品在可见光区的平均透过率均在83％以上，退火前薄膜的光学带隙为5.83 eV，1000℃退火处理后其光学带隙为5.80 eV。（三）第三部分在前两部分关于In2O3和Al2O3薄膜制备和性能研究基础上，分别采用高纯Al(CH3)3和In(CH3)3为铝和铟的金属有机源，采用高纯O2作为氧化剂，超高纯N2作为载气，以MgO(100)和(110)晶面作为衬底材料，选择不同的沉积温度，采用MOCVD工艺进行了Al2xIn2-2xO3薄膜的制备，比较系统的探究了不同组分对薄膜结构和光电性质的影响。 (1)在600℃下于MgO(100)衬底上制备了Al2xIn2-xO3薄膜，通过XRD和HRTEM测试分析了薄膜的结构性质。当x≤0.3时，Al2xIn2-2xO3薄膜具有沿着(111)方向单一取向的方铁锰矿In2O3结构;当x≥0.5时，Al2xIn2-2xO3薄膜为非晶结构。对于x≥0.5的薄膜样品呈现高阻性，故只测量x≤0.4时薄膜的电学性质。随着薄膜样品中Al含量由x=0.1增加到0.4，样品的霍尔迁移率从15.2 cm2V-1s-1单调减小到1cm2V-1s-1。载流子浓度的变化范围为1.0×1019 cm-3到6.2×1019cm-3，薄膜电阻率变化范围为9.2×10-3Ω·cm到8.1×10-2Ω·cm。不同Al含量的薄膜样品在可见光范围内的平均透过率均超过79％，随着Al含量从x=0.1增加到0.9，薄膜的光学带隙从3.67 eV单调增加到5.38 eV。 (2)在600℃下于MgO(110)衬底上制备了Al2xIn2-2xO3薄膜，通过XRD测试分析了薄膜的结构性质。随着Al含量的逐渐提升，Al2xIn2-2xO3薄膜样品由单晶In2O3结构，转变为多晶In2O3结构，最后变为非晶结构，薄膜的结晶质量逐渐变差。随着薄膜样品中Al含量由x=0.1增加到0.4，样品的霍尔迁移率从12 cm2V-1s-1单调减小到1.1 cm2V-1s-1。载流子浓度的变化范围为8.8×1018 cm-3到6.8×1019cm-3，薄膜电阻率变化范围为1.0×10-2Ω· cm到8.3×10-2Ω·cm。薄膜样品在可见光范围内的平均透过率均超过80％，随着Al含量的增加，薄膜的光学带隙可实现由3.65 eV到5.57 eV范围内的调制。 (3)在700℃下于MgO(110)衬底上制备了Al2xIn2-2xO3薄膜，通过XRD和HRTEM测试详细分析了薄膜的结构和微结构性质。随着Al含量的逐渐升高，Al2xIn2-2xO3薄膜由单晶方铁锰矿In2O3结构，转变为多晶结构，最后变为立方γ-Al2O3结构。（四）第四部分根据第三部分Al2xIn2-2xO3薄膜制备和性质研究的结果，选取铝铟原子比x=0.65的Al1.3In0.7O3薄膜作为基础材料加入锡元素，增加高纯的Sn(C2H5)4为Sn的金属有机源，在MgO衬底(100)和(110)晶面上700℃温度下制备了Al-In-Sn-O(AITO)薄膜，研究了不同Sn含量对薄膜结构和光电性质的影响。 (1)在MgO(100)衬底上生长AITO薄膜。结构分析表明随着Sn含量的增加，薄膜的结构性质逐渐改善，并于Sn含量为21％时达到最佳，而Sn含量进一步增加至24％，AITO薄膜的XRD谱出现SnO2衍射峰，薄膜结构变为混晶结构。随着Sn含量由0％增加至24％的范围内，薄膜的霍尔迁移率从1.8逐渐升高，并在Sn含量为21％时达到最大值17.5 cm2V-1s-1，当Sn含量进一步增加，霍尔迁移率开始下降。 (2)在MgO(110)衬底上生长的AITO薄膜，XRD测试结果分析表明其结晶程度随着Sn含量的增加而逐渐提高，并于Sn含量为21％时达到最佳。当Sn含量进一步增加至24％时薄膜没有出现混晶结构情况。HRTEM测试分析表明，Sn含量为21％的AITO薄膜为多晶结构，晶粒排列紧密，晶粒间界成分较少。收起

关键词 : 半导体材料铝铟氧化物氧化镁制备工艺结构特征光电特性生长机制

3. YSZ衬底上铝铟氧化物薄膜的制备及性质研究

[学位论文] 赵灿松山东大学 2014年硕士导师: 马瑾共73页

摘要 : 人们对多元化合物半导体材料如铟镓氮(InxGa1-xN)、铝铟氮(AlxIn1-xN)、铝镓氮（AlxGa1-xN）、铟镓磷(InGaP)和镁锌氧（MgxZn1-xO）等进行研究的一个重要原因是这些材料的禁带宽度可以通过改变组分进行调节，因而成为制造半导体光电器件和光电子器件的... 展开人们对多元化合物半导体材料如铟镓氮(InxGa1-xN)、铝铟氮(AlxIn1-xN)、铝镓氮（AlxGa1-xN）、铟镓磷(InGaP)和镁锌氧（MgxZn1-xO）等进行研究的一个重要原因是这些材料的禁带宽度可以通过改变组分进行调节，因而成为制造半导体光电器件和光电子器件的重要材料，在发光二极管(LED)、激光器(LD)、紫外探测器、薄膜晶体管、存储器等领域有着极其广阔的应用前景。近年来，氧化铝的纳米、薄膜及其掺杂材料的制备和发光性质研究引起人们的关注，氧化铝具有带隙宽(～8.7eV)、高的击穿场强(6～8MV/cm)、介电常数高(～9)、化学和热性能稳定等优点。氧化铟(In2O3)具有直接带隙(Eg～3.7eV)，是重要的光电子信息材料。铝和铟同属Ⅲ族元素，而Al2(1-x)In2xO3材料可以认为是Al2O3和In2O3两种材料的合金。铝-铟金属氧化物具有带隙宽度可以通过改变材料的组分进行调制的特点，而且带隙宽、调制范围大，并且无毒无污染，因此Al2(1-x)In2xO3应该是一种很有希望和前途的紫外透明半导体材料、短波长发光材料和超晶格量子阱材料。本论文对Al2(1-x)In2xO3薄膜的制备进行了实验探索和测试分析，对其结构和光电性质进行研究。本论文的主要研究工作及结果如下: 1.使用MOCVD方法，以高纯In(CH3)3作为铟源，高纯O2作为氧源，超高纯N2作为气路载气，在600℃下多个衬底上制备了In2O3外延薄膜。使用多功能X射线衍射仪对样品进行分析，结果表明YSZ(111)衬底上生长的薄膜具有单一取向结构，结晶质量最好。因此，在YSZ(111)上制备In2O3外延薄膜，生长温度为500-700℃，研究衬底温度对薄膜结构和光电性质的影响。XRD图谱和ψ扫描曲线的测试结果表明，在600℃时生长的薄膜结晶质量最好。通过ω摇摆曲线和高分辨透射电镜对薄膜内部结构进行测试分析，得出YSZ(111)衬底上外延生长In2O3薄膜的外延关系示意图，确定了其外延关系为:面外外延关系In2O3(222)||YSZ(111)，面内外延关系In2O3[011]||YSZ[011]。样品在可见光范围(200-800nm)内的平均透过率均超过了77％，薄膜对应的光学带隙值为3.62-3.65eV，600℃时制备的样品具有最小值为3.62eV。制备In2O3薄膜的载流子迁移率在600℃时达到最大值为27.7cm2v-1s-1，对应的载流子浓度为5.13×1018cm-3，电阻率为4.4×10-2Ω·cm。 2.使用MOCVD方法，以高纯In(CH3)3和Al(CH3)3作为MO源，高纯O2作为氧化剂，超高纯N2作为管路载气，基于以上确定的实验条件，首先在YSZ(100)上600℃衬底温度下生长Al2(1-x)In2xO3[x=In/(Al+In)，原子比，x=0.1～0.9]薄膜，研究不同组分对薄膜性质的影响。XRD图谱显示，随着In含量的减少，薄膜由结晶质量较好的In2O3立方结构逐渐变差，在Al含量高时，未观测到衍射峰。生长的薄膜样品在可见光范围的平均透过率超过了73％，光学带隙从3.68eV递增到4.68eV，可随组分的变化进行调制。由于氧化铝的生长温度比较高，因此采用相同的条件在700℃衬底温度下YSZ(100)和(111)衬底上生长Al2(1-x)In2xO3薄膜。对样品进行X射线衍射扫描表明:随着In含量的减少，薄膜的结晶质量逐渐变差，由立方结构In2O3变为非晶或微晶结构，高Al含量时未观测到衍射峰。通过分析高In含量样品(Al1.6In0.4O3)的高分辨透射电镜结果得到，薄膜的结晶质量较好，但存在多晶成分，YSZ(100)与(111)衬底上生长的外延薄膜的外延关系分别为In2O3(100)||YSZ(100)及In2O3(222)||YSZ(111)。制备的Al2(1-x)In2xO3薄膜组分比与设定值基本一致，在可见光范围内的平均透过率均达到了74％以上，光学带隙随Al含量从3.63eV增加单调递增到4.63eV，可通过改变薄膜组分进行调制。薄膜样品的载流子迁移率随Al元素含量的增加不断减小，薄膜电阻率在Al含量为20％时有最小值，之后单调递增。收起

关键词 : 金属有机化学气相沉积铝铟氧化物薄膜光电性质制备工艺 YSZ衬底

4. 同质外延氧化镓薄膜和铝铟氧薄膜的制备及性质研究

[学位论文] 杜学舰山东大学 2017年博士导师: 马瑾共130页

摘要 : 透明氧化物半导体材料由于具有优良的光电特性而受到人们的普遍关注，并在太阳能电池、平面显示、透明薄膜晶体管、探测器、发光二极管和激光器等许多领域有着广阔的应用前景。随着光电子学的研究探索领域向短波长范围发展，要求半导体薄膜材料的透明... 展开透明氧化物半导体材料由于具有优良的光电特性而受到人们的普遍关注，并在太阳能电池、平面显示、透明薄膜晶体管、探测器、发光二极管和激光器等许多领域有着广阔的应用前景。随着光电子学的研究探索领域向短波长范围发展，要求半导体薄膜材料的透明区域向紫外甚至深紫外波段拓展。为了满足紫外光电器件快速发展的需求，迫切需要研制新型的紫外光电半导体薄膜材料。β-氧化镓(β-Ga2O3)是一种很有前途的深紫外半导体光电材料，它具有带隙宽(～4.9 eV)、机械强度高、物理和化学性能稳定等优点。异质生长的β-Ga2O3，由于薄膜与衬底之间存在较大的晶格失配，因此制备的氧化镓薄膜材料大多是非晶或多晶结构，其结构和性能都比较差，因而离实际应用还有较大的距离。当前国内外鲜有β-Ga2O3薄膜同质外延生长的报道，要使β-Ga2O3薄膜材料在光电器件等领域得到实际应用，对β-Ga2O3单晶材料的同质外延生长开展深入系统的研究是非常必要的。全面深入地进行β-Ga2O3薄膜的同质外延以及掺杂的研究工作，将为该材料在透明半导体光电器件和紫外光电器件的应用奠定基础。传统的二元半导体材料都存在着一个非常普遍的问题是禁带宽度难以调控。随着材料科学的不断发展，需要研制新型的、带隙宽度可调的宽带隙半导体材料。氧化铝(Al2O3)和氧化铟(In2O3)都是宽禁带透明氧化物材料，它们的光学带隙分别为8.7 eV和3.7 eV。铝铟氧化物[Al2xIn2(1-x)O3]薄膜材料可以看作是由Al2O3和In2O3两种材料按照不同比例形成的三元合金材料，其带隙宽度可以根据材料中铝和铟所占的比例不同而实现在3.7～8.7 eV范围内调制，是一种很有应用前景的紫外透明半导体材料。系统地研究Al2xIn2(1-x)O3薄膜的制备、结构和光电性质等，这在透明光电子器件材料研究方面具有重要的科学意义，同时也为该材料在透明光电器件的应用提供必要的参考依据。本论文研究内容分为三部分:第一部分，使用MOCVD工艺在β-Ga2O3单晶衬底上同质外延生长β-Ga2O3及其掺杂薄膜，研究了薄膜的结构和光电性质;第二部分，使用MOCVD方法在SiO2和α-Al2O3单晶衬底上制备不同组分的Al2xIn2(1-x)O3薄膜，系统地研究了薄膜的制备工艺、生长机理、结构和光电性质;第三部分，在第二部分研究工作的基础上，制备出新型In-Al-Sn-O(IATO)薄膜材料，详细研究了锡含量对制备薄膜结构和光电性质的影响。第一部分研究内容如下: 1.采用MOCVD工艺，以三甲基镓[Ga(CH3)3]和高纯氧气作为前驱物，超高纯氮气用作载气，在单晶β-Ga2O3(100)衬底上同质外延生长出高质量β-Ga2O3薄膜，生长温度分别为600℃、650℃和700℃，探究了不同生长温度对薄膜的结构和光学性能的影响。不同温度下制备的薄膜均为平行于单晶衬底β-Ga2O3(100)晶面生长的单晶外延薄膜。通过对薄膜样品的结构测试分析可以得出650℃下生长的β-Ga2O3薄膜内部无孪晶结构，结晶质量最好。薄膜样品在可见及紫外光区域的平均透过率约为80％，600、650和700℃下制备的薄膜的光学带隙值分别约为4.72、4.73和4.68 eV。 2.在以上研究工作的基础上，采用四乙基锡[Sn(C2H5)4]作为Sn的有机金属源，对β-Ga2O3同质外延薄膜进行n型掺杂。为提高掺Sn效率，将生长温度提高至700℃，Sn掺杂浓度范围为1％-12％。XRD结果表明所有薄膜都是沿着β-Ga2O3衬底[100]方向同质外延生长的，并且薄膜结晶质量随着Sn掺杂浓度的增大显示出先提高后降低的变化趋势。通过电学性质的测试分析可以得出Sn掺杂浓度为10％的薄膜具有最低的电阻率值约为1.20×10-1Ω·cm，对应的载流子浓度约为9.54×1017 cm-3，霍尔迁移率约为12.03 cm2V-1s-1。研究分析了薄膜的掺杂机理和导电机制，证实了Sn元素对于β-Ga2O3薄膜而言是一种有效的n型掺杂剂，薄膜的电阻率可以通过Sn掺杂的方式进行调控。所有薄膜样品在近紫外和可见光波段的平均透过率均超过了85％，薄膜的光学带隙在4.16-4.69 eV之间变化。第二部分研究内容如下: 1.使用MOCVD技术，选用三甲基铟[In(CH3)3]作为铟的前驱物，高纯氧气作为氧化剂，在650℃下于不同切向SiO2单晶衬底上制备了In2O3薄膜。XRD结果显示z切向的SiO2(0001)衬底上生长的In2O3薄膜取向单一，结晶质量最高。因此，选择SiO2(0001)衬底外延生长In2O3薄膜，生长温度的范围为570-690℃。通过结构测试分析可以得出650℃下制备的In2O3薄膜的结晶质量最高且内部无畴结构，并确定了在SiO2(0001)衬底上生长In2O3薄膜的面内生长关系为In2O3[110]∥SiO2<110>，同时面外外延关系为In2O3(111)∥SiO2(0001)。不同温度下制备薄膜的霍尔迁移率在15.43-27.84 cm2V-1s-1范围之间，载流子浓度在5.03×1019-5.65×1019 cm-3范围之间，电阻率在4.24×10-3-4.89×10-3Ω·cm范围之间。制备薄膜具有良好的光学透过性，所有薄膜样品在可见光波段的平均透过率均超过了82％，650℃下制备的薄膜具有最小的光学带隙值约为3.68 eV。 2.在确定了外延生长In2O3薄膜的最佳制备工艺的基础上，分别用Al(CH3)3和In(CH3)3作为铝和铟的有机金属源，高纯氧气作为氧化剂，在SiO2(0001)衬底上、650℃衬底温度下，制备不同Al含量的Al2xIn2(1-x)O3[原子比x=Al/(Al+In)]薄膜，研究组分变化对薄膜材料的结构、光学和电学性能的影响。XRD和HRTEM测试结果显示，随着Al含量的增多，薄膜由取向单一的方铁锰矿In2O3结构逐渐变为非晶或纳米晶结构。XPS测试结果证实了制备的薄膜为铝铟氧化物，且薄膜样品中铝和铟的实际原子比都略小于实验设定值。随着Al含量x从0.1增加到0.4，薄膜的霍尔迁移率从14.62 cm2V-1s-1单调递减至3.89 cm2V-1s-1，载流子浓度的变化范围为7.26×1019-3.38×1020 cm-3，电阻率的变化范围为2.15×10-3-2.23×10-1Ω·cm。在可见光区域，所有薄膜样品的平均透过率均超过了82％，随着Al含量x从0增加到0.9，薄膜样品的光学带隙值从3.74 eV接近线性地增加到5.91 eV。 3.选取最常用的α-Al2O3(0001)作为衬底材料来制备Al2xIn2(1-x)O3薄膜，MOCVD工艺条件与在SiO2(0001)衬底上制备Al2xIn2(1-x)O3薄膜的相同。随着铝含量的增加，薄膜结晶质量逐渐变差，由方铁锰矿In2O3多晶结构逐渐变为非晶或者微晶结构。随着薄膜中Al含量x从0.1增加到0.4，薄膜的霍尔迁移率从14.63cm2V-1s-1单调递减至4.6 cm2V-1s-1，载流子浓度的变化范围为8.5×1019-2.27×1020cm-3，电阻率的变化范围为1.52×10-3-1.9×10-1Ω·cm。对Al含量x为0.2和0.4的薄膜样品做了变温霍尔测试，并对两者的导电机制进行了研究分析。所有薄膜样品的吸收边都出现在紫外光区域，在可见光范围内薄膜样品的平均透过率均超过83％，薄膜的光学带隙随Al含量的增多从3.82 eV单调增加到5.88 eV。第三部分研究内容如下: 基于第二部分Al2xIn2(1-x) O3薄膜的制备工艺和研究分析结果，以Al含量x为0.65的Al1.3In0.7O3薄膜作为基础，选用Sn(C2H5)4作为锡的有机金属源，分别在SiO2(0001)和α-Al2O3(0001)衬底上以700℃的生长温度制备出了新型的In-Al-Sn-O(IATO)薄膜材料，详细研究了锡含量对制备薄膜的结构、电学和光学等性质的影响。 1.在SiO2(0001)衬底上制备了IATO薄膜。结构分析表明随着Sn含量的增加，薄膜的结晶质量得到提高，并且Sn含量为15％的薄膜结晶质量最高。XPS能谱图显示制备的薄膜是纯净的铟铝锡氧化物，并且各金属元素都充分氧化，薄膜中不存在金属原子聚集的情况。随着Sn含量由0％增加至18％，薄膜的霍尔迁移率先增大后减小，并在Sn含量为15％时达到最大值为15.59 cm2V-1s-1，同时对应最大的载流子浓度值2.38×1020 cm-3和最小的电阻率值1.51×10-3Ω·cm。对Sn含量为15％的IATO薄膜的导电机制进行了研究分析。所有薄膜样品在可见光区域的平均透过率均超过了81％，且随着Sn含量的增多，薄膜的光学带隙从5.03 eV单调递减至4.05 eV。对IATO薄膜的电学性质和光学带隙随锡含量变化的原因进行了分析研究。 2.在α-Al2O3(0001)衬底上制备了IATO薄膜。XRD结果表明，随着Sn含量从0％增加到18％，薄膜从非晶或微晶结构变为结晶态结构进而变为混相结晶结构，且Sn含量为15％的IATO薄膜的结晶质量最高。HRTEM结果显示，Sn含量为15％的薄膜是结晶良好的多晶结构，并且结晶比例高、晶粒间界少。通过电学性质的测试分析可以得出，当Sn含量为15％时，薄膜的霍尔迁移率具有最大值为15.47 cm2V-1s-1，此时对应最大的载流子浓度值2.1×1020 cm-3和最低的电阻率值2.13×10-3Ω·cm。IATO薄膜样品在可见光区域的平均透过率超过了80％，且Sn含量为15％、对应于最佳结晶质量的薄膜样品的光学带隙值约为4.13 eV。收起

关键词 : 氧化镓薄膜铝铟氧薄膜同质外延微晶结构电学性质

5. InAlAs/GaAs(001)环点结构的制备与形貌研究

[学位论文] 李志宏贵州大学 2020年硕士导师: 丁召共64页

摘要 : 本文采用混合液滴外延法在GaAs(001)衬底上生长(In)AlAs量子环点结构，主要研究In组分以及As压对(In)AlAs量子环点结构的影响。实验前期为了找到In、Al液滴共同沉积温度，本文直接通过低沉积量的Al液滴沉积实验的研究，找到Al液滴均匀性最好条件下的沉... 展开

关键词 : 铟铝砷化合物量子环点结构混合液滴外延法晶体形貌

6. 铟镓锌氧化物与铟锌氧化物靶材的制备及性能研究

[学位论文] 刘江安华中科技大学 2021年博士导师: 李晨辉共138页

摘要 : 目前在平板显示器领域，IGZO-TFT器件有望克服硅基TFT载流子迁移率低、能耗高的缺点。由于IGZO靶材的质量决定了IGZO-TFT器件的性能优良与否,制备高质量的IGZO靶材是IGZO能否成功应用的关键。本文以IGZO靶材为研究对象，首先，采用分步共沉淀法... 展开目前在平板显示器领域，IGZO-TFT器件有望克服硅基TFT载流子迁移率低、能耗高的缺点。由于IGZO靶材的质量决定了IGZO-TFT器件的性能优良与否,制备高质量的IGZO靶材是IGZO能否成功应用的关键。本文以IGZO靶材为研究对象，首先，采用分步共沉淀法制备纳米IGZO粉体增强粉体的烧结活性，分别用冷烧结工艺(CSP)和干压工艺(CP)来制备素坯，对坯体的烧结过程建立了InGaZnO4控制烧结曲线(MSC)。其次，采用行星球磨制备了不同粒径IGZO粉体增加素坯密度，制备出高致密度、低收缩率的InGaZnO4靶材，并采用非等温烧结动力学模型阐明IGZO烧结过程物质扩散机理，采用双Voigt函数定量分析球磨粉体晶格畸变解析行星球磨工艺增强IGZO粉体烧结性能机理，并根据该机理制备结构均匀、低电阻率的In2Ga2ZnO7靶材与IZO系列靶材。最后，采用直流磁控溅射技术，研究了退火温度对IZO、IGZO以及IZO/IGZO薄膜光电性能的影响。主要结论如下： (1)分步共沉淀法的反应温度为10℃左右时，制备的前驱体粉末元素的化学计量比最接近InGaZnO4理论原子比，CSP工艺促进成型过程中粉体颗粒之间的物质运输与重排，提高了素坯初始密度。在同的烧结条件下，CSP坯体致密度高于CP坯体，经200MPa和180℃CSP工艺处理后的素坯在1200℃保温1h后的得到InGaZnO4致密体的相对密度最高为99.30%。MSC模型计算结果显示CSP/PLS工艺与CP/PLS工艺的烧结活化能Qa分别为489.7kJ·mol-1与655.6kJ·mol-1。 (2)行星球磨工艺球料比与分散剂影响混合粉体分散性，粉体成型的素坯密度最高为67.14%。素坯在1400℃保温150min时，InGaZnO4坯体相对密度达到最高99.50%，电阻率为6.07×10?3Ω·cm。球磨转速影响粉体的破碎效果与晶格畸变，粉体的比表面积、晶粒尺寸以及粉体的晶格畸变随着转速增加而增加。经过300rpm(IGZO-3)和200rpm(IGZO-2)球磨后的混合粉体的晶格畸变分别是100rpm(IGZO-1)后的粉末晶格畸变的1.62～2.85倍，2.01～10.27倍，晶格畸变能的增加使InGaZnO4致密化速率、晶粒生长速度随粉体球磨转速增加而增加。IGZO-1、IGZO-2和IGZO-3压坯烧结后的最高相对密度分别为92.87%、98.72%和99.12%。晶界扩散是InGaZnO4晶粒长大的主要机制，IGZO-1、IGZO-2和IGZO-3坯体的晶粒生长活化能分别为78.78、67.17和49.52kJ·mol-1。 (3)IGZO粉体(In∶Ga∶Zn=2∶2∶1)与IZO-1(In2O3∶ZnO=1∶1)、IZO-2(In2O3∶ZnO=1∶3)、IZO-3(In2O3∶ZnO=1∶5)粉体行星球磨后，IGZO素坯在烧结温度从1250℃增加到1500℃过程中，由于坯体中In2O3的挥发和第二相中的In元素浓度梯度，In的扩散导致In2Ga2ZnO7分解，元素偏析区域随保温时间的延长而增大，导致坯体中的第二相随烧结温度增加而增加。素坯在1300℃保温8h后，坯体生成单相In2Ga2ZnO7致密体，其相对密度达到99.25%，电阻率为3.17×10?3Ω·cm。在同等的烧结条件下，IZO-1坯体的电阻率最低，IZO-2坯体的晶粒尺寸最大，IZO-3的致密度最高。烧结温度为1500℃时，IZO-1坯体电阻率最低为2.53×10-3Ω·cm，IZO-3坯体密度最高为99.25%。 (4)IZO薄膜在200℃、400℃与600℃退火后，薄膜的可见光的透过率在82%~93%之间，禁带宽度在2.79eV~3.81eV，IZO-2薄膜在经过400℃退火处理后的电阻率最低为2.09Ω·cm，IZO-1薄膜室温下的载流子浓度与载流子迁移率最大为4.17×1017·cm-3与15.34cm2·V-1·S-1。IGZO薄膜在相同制备条件下，可见光的透过率在80%~89%之间，禁带宽度在3.54eV~3.82eV，薄膜的最低电阻率8.41×10-2Ω·cm，最高载流子迁移率4.78cm2·V-1·S-1,最高载流子浓度5.85×1019·cm-3。IZO/IGZO薄膜的电阻率最低为4.36×10-1Ω·cm，载流子浓度最大为2.42×1018·cm-3，载流子迁移率最大为7.57cm2·V-1·S-1。证明同等条件下，IZO/IGZO薄膜保留了IZO薄膜载流子迁移率高的优点，同时具备了IGZO薄膜电阻率低、载流子浓度高的优点。收起

关键词 : 铟镓锌氧化物铟锌氧化物靶材制备载流子迁移率

7. 深海环境因素及加工方式对铝基牺牲阳极电化学性能影响的研究

[学位论文] 郑志鹏中国科学院大学 2017年硕士导师: 张涛共78页

摘要 : Al-Zn-In牺牲阳极是当前在海洋环境中使用最广泛的牺牲阳极。在静水压力增加，含氧量降低，温度下降的深海环境中，牺牲阳极的电化学性能大幅下降。本文选用商用Al-Zn-In牺牲阳极，首先探究深海环境下牺牲阳极电化学性能恶化的原因，并在原有材料的基... 展开 Al-Zn-In牺牲阳极是当前在海洋环境中使用最广泛的牺牲阳极。在静水压力增加，含氧量降低，温度下降的深海环境中，牺牲阳极的电化学性能大幅下降。本文选用商用Al-Zn-In牺牲阳极，首先探究深海环境下牺牲阳极电化学性能恶化的原因，并在原有材料的基础上探索改善牺牲阳极深海性能的加工方式。本文研究了Al-Zn-In商用牺牲阳极在模拟深海环境下性能的变化，根据设计实验的思路，将压力、温度、含氧量设计成三因素两水平的析因实验，通过测试不同实验组合下阳极电化学性能的变化，并同表层海水进行对比。发现Al-Zn-In牺牲阳极在模拟深海环境下发生钝化，溶解能力大幅下降，在深海条件下几乎不溶解，电流效率降低。其中环境因素的改变，对牺牲阳极性能的影响程度大小为:静水压力＜温度＜含氧量。无氧条件下影响In3+的“溶解-再沉积”过程。模拟深海环境下，Al-Zn-In牺牲阳极无法满足使用要求，其中含氧量降低是导致钝化发生的主要原因。本文另外研究了牺牲阳极等轴晶区与柱状晶区性能的差异，并试图通过加工方式改善牺牲阳极在深海环境的电化学性能，发现等轴晶区放电能力不如柱状晶区，会使牺牲阳极在使用过程中性能不稳定，但等轴晶区电流效率稍高于柱状晶区。固溶处理能明显消除牺牲阳极枝晶偏析，提高成分均匀性，并能增加在浅海条件下的活化点，但同时抑制阳极过程，放电量也随之下降。轧制处理虽然促进阳极溶解过程，但阴极促进更加明显，造成开路电位升高，虽然在深海条件下微量放电，仍不能满足使用要求。锻压、挤压处理能明显细化晶粒，晶粒大小均匀，且经挤压处理后的牺牲阳极在深海条件下有了一定的放电量，但仍达不到牺牲阳极在浅海条件下的放电量，需要进一步优化工艺。收起

关键词 : 铝锌铟牺牲阳极加工工艺深海环境电化学性能

8. 制备工艺对非晶铟锡锌氧化物薄膜晶体管的性能影响研究

[学位论文] 梁永烨中北大学 2015年硕士导师: 裴东兴共73页

摘要 : 基于柔性基片的薄膜晶体管(TFTs)是实现柔性电子器件的关键组成部分，由于其在开发先进光电器件方面的重大作用而成为未来不可或缺的网络技术。近年来，由于非晶氧化物半导体(AOS)具有较宽光禁带(3.5eV)、良好的导电性(103Ωcm-1)和较高的光透率(80%)... 展开基于柔性基片的薄膜晶体管(TFTs)是实现柔性电子器件的关键组成部分，由于其在开发先进光电器件方面的重大作用而成为未来不可或缺的网络技术。近年来，由于非晶氧化物半导体(AOS)具有较宽光禁带(3.5eV)、良好的导电性(103Ωcm-1)和较高的光透率(80%)等优势而广泛应用于薄膜晶体管(TFTs)中,大有替代传统Si系列TFTs的趋势，成为下一代平板显示器的前景材料。尤其以非晶铟锡锌氧化物(a-ITZO)为有源层的TFTs更是吸引了人们众多的注意力。目前，溅射是TFTs器件的主要制备方式，改变制备工艺参数可以有效改善器件的性能。本论文就 TFTs器件制备工艺的改变对器件电气性能及稳定性的影响展开研究，主要对影响TFTs器件性能优化的器件结构、有源层组成成分、源/漏电极之间接触电阻和栅介质材料等因素进行了详细且系统地研究及分析，提出了造成器件不稳定性的因素以及调整制备工艺条件对器件性能影响的理论依据；并以硅作为衬底，采用不同直流(DC)磁控溅射功率和Ar/O2流量比制备了基于a-ITZO有源层的TFTs器件。经过对器件进行电气性能及稳定性的测试，结果表明不同溅射功率和氧气含量主要通过改变沟道层和绝缘层接触面之间陷阱密度(Nt)以及沟道内载流子浓度(Nd)等因素，进而对TFTs器件的性能产生影响：i)采用不同溅射功率制备的器件，在80W下显示出优秀的电气性能：0.16V/dec的亚阈值摆幅(S.S)、-3.60V的开启电压(VON)、-1.87V的阈值电压(VTH)和高达7.77×108的电流开关比(ION/IOFF)。与此同时，在负向偏置压力下，该器件也显示出最强的电气稳定性。ii)采用不同氧含量制备的器件，在氧含量为30%时显示出最优质的电气性能：最小的S.S=0.18V/dec、最低的开启电压VON=-3.00V和阈值电压VTH=-2.35V以及高达1.15×109的ION/IOFF和43.88 cm2V-1s-1的μFE。通过实验验证了制备工艺变更对优化a-ITZO TFTs性能的可行性，进而为今后得出合理的制备条件提供依据，以使器件获得更优的性能。收起

关键词 : 非晶氧化物薄膜晶体管铟锡锌氧化物制备工艺磁控溅射

9. In-Sb-Si和Al-Sb-Sn体系的相图与热力学性质

[学位论文] 陈伟北京科技大学 2023年硕士导师: 曹战民共75页

摘要 : 近年来，Ⅲ-Ⅴ化合物半导体在电子和光电器件中的重要性不断增加。研究金属元素与Ⅲ-Ⅴ化合物半导体之间的相平衡，能更好的理解电接触材料的形成，也为发展新的、更优良的电接触材料提供基础。本研究将相图的实验测定、相图的热力学优化相结合... 展开

关键词 : 铟-锑-硅体系铝-锑-锡体系相图特征热力学性质

10. 稀土氧化物和稀土铝石榴石纳米粉末的制备和发光性质研究

[学位论文] 徐美中国科学技术大学 2005年博士导师: 尹民;张慰萍共96页

摘要 : 　本论文首先给出新型功能材料的概念，然后着重阐述了光致发光的基本原理和三价稀土离子的发光特性，并介绍了纳米材料的相关知识，通过改变反应条件获得了颗粒度从3nm到40nm的一系列Lu2O3：RE纳米晶样品。采用多种手段分析了样品的结构特性。X-射... 展开

关键词 : 稀土氧化物稀土铝纳米粉末