CN101866860B - 一种ZnO薄膜场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ZnO薄膜半导体场效应晶体管的制备方法，属于无机非金属材料器件制备工艺技术领域。本发明的主要特点是：采用高热导率自支撑金刚石薄膜作为衬底材料。并采用添加缓冲层方法，在其上制备n型ZnO薄膜，同时在ZnO薄膜上再制备源、漏和栅电极，最终制得具有高沟道迁移率的ZnO薄膜半导体场效应晶体管(MESFET)器件。器件的场效应迁移率高达3.5cm2/v·s。器件可在350℃下稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于ZnO薄膜场效应晶体管的制备方法，属于无机非金属材料器件制备工艺技术领域。
背景技术
随着信息技术的迅猛发展，能工作在高温、高频、大功率、强辐射等恶劣条件下的“极端光电子学”器件的需求正急剧增长，这对材料的性能提出了更高的要求。以Si和GaAs为代表的传统半导体材料，由于受材料性能所限，在高温、高频、大功率领域越来越显示其局限性，且不适宜于强辐射及化学环境恶劣等条件。
在宽禁带半导体中，ZnO是最有前途的光电材料之一，其室温下禁带宽度为3.37eV，具有高熔点和高激子束缚能、较高的沟道电子迁移率、高激子增益、相对较低的外延生长温度、低的制备成本、高的热稳定性和化学稳定性等特点，这使得ZnO在透明电极、显示材料、压电器件、光电器件、太阳能电池和激光器等许多领域得到了广泛应用，尤其是在透明薄膜晶体管的研究上受到越来越多的关注。
目前由于p型ZnO掺杂技术还不完善，ZnO薄膜晶体管的研究主要集中在场效应(FET)类器件的制备研究上。金属—绝缘层—半导体场效应晶体管(MISFET)的优点在于更高的沟道迁移率以及简单的器件工艺，从而有利于制备频率更高、速度更快、性能更好的器件。
目前ZnO薄膜FET一般采用SiO2、蓝宝石及透明玻璃作为衬底材料，但是这些材料的热导率低，难以很好的适用于某些极端的应用环境，比如高温、高功率及强辐射条件下器件会产生大量的热，采用以上衬底的器件将面临散热难题。金刚石薄膜具有极高的热导率，且还具有优异的力、光、电性能及优良的化学稳定性，是极端器件的理想衬底材料。
本专利采用高热导自支撑金刚石薄膜为衬底并通过添加缓冲层制备了具有高载流子迁移率的n型ZnO薄膜，并在此基础上制备了ZnO薄膜MESFET。
发明内容
本发明的目的在于在高热导自支撑金刚石薄膜衬底上制备具有高沟道迁移率的n型ZnO薄膜金属半导体场效应晶体管(MESFET)器件。
本发明一种n型ZnO薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a.自支撑金刚石薄膜衬底的制备
(1)、采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底。采用HF酸超声清洗5-15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10-15分钟；将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10-20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内；
(2)、用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5-7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入甲烷、氢气的混合反应气体，调节甲烷、氢气的流量分别为1-10标准毫升/分、100-160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.8-1.5kPa，衬底温度控制在650-750℃，微波功率设定为1800-2500W，薄膜生长时间100-150小时；
(3)、将制备的金刚石薄膜置于HF+HNO3(1∶1)浓溶液中，在室温下腐蚀10-15小时，待Si衬底溶解后可得到所需的自支撑形金刚石薄膜；再将其置于丙酮中超声浴清洗10-15min，然后置于去离子水中超声浴清洗10-15min，重复上述清洗步骤3-5遍直至表面洁净，最后取出自支撑金刚石薄膜烘干待用；
b.ZnxMg1-xO缓冲层的制备
采用掺Mg的高纯ZnO陶瓷靶，使用射频磁控溅射方法在金刚石薄膜的成核面上生长ZnxMg1-xO薄膜；系统的本底真空2×10-4-5×10-4Pa；x取值0.5-0.7；溅射的工作气体是Ar和O2的混合气体，Ar/O2流量比为3∶1到1∶1；总气压在0.3-0.8Pa；溅射功率一般为100-300W；缓冲层厚度50-100nm；
c.n型ZnO薄膜的制备
采用射频反应磁控溅射法在ZnxMg1-xO缓冲层上制备ZnO薄膜，靶材为高纯ZnO(99.99％)陶瓷靶；沉积过程中，工作气体是Ar和O2的混合气体；Ar∶O2流量比在3∶1-1∶2之间，工作气压0.2-0.7Pa；溅射功率100-250W；ZnO薄膜厚度100-200nm；ZnO靶材需掺杂微量Al，以制得n型ZnO薄膜；
d.ZnO基MESFET器件的制作
采用传统的光刻掩膜工艺在n型ZnO薄膜表面制作场效应晶体管(FET)器件的源、漏和栅电极；源、漏电极采用金作为电极材料；栅电极是氧气和氩气的混合气氛下溅射银形成的氧化银；栅长5-10微米，栅电极与源、漏电极间隔均为5-10微米；源、漏和栅电极金属层厚度均为100-300纳米；源、漏、栅极均采用直流溅射的方法来制备。
本发明同现有技术相比，有如下显著优点：
(1)本发明使用金刚石作为衬底材料可以使ZnO基MESFET器件具有比现有ZnO器件更好的温度特性。
(2)采用ZnxMg1-xO缓冲层制备ZnO沟道层，可以提高ZnO沟道层的质量。使器件具有更高的沟道迁移率。
(3)由于高的沟道迁移率，使得器件具有更高跨导、更好的电性能和频率特性。
附图说明
图1为本发明n型ZnO薄膜场效应晶体管的结构示意图
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例
本发明实施例中n型ZnO薄膜场效应晶体管的制备过程和步骤如下所述：
一、自支撑金刚石薄膜衬底的制备
(1)、采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底。采用HF酸超声清洗10分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10分钟。将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗15分钟。最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内。
(2)、用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10-3Pa，通入甲烷、氢气的混合反应气体，调节甲烷、氢气的流量分别为1标准毫升/分、110标准毫升/分；反应室的气压设定为1kPa，衬底温度控制在680℃，微波功率设定为2200W，薄膜生长时间100小时。
(3)、将制备的金刚石薄膜置于HF+HNO3(1∶1)浓溶液中，在室温下腐蚀12小时，待Si衬底溶解后可得到所需的自支撑形金刚石薄膜。再将其置于丙酮中超声浴清洗10min，然后置于去离子水中超声浴清洗10min，重复上述清洗步骤3遍，最后取出自支撑金刚石薄膜烘干待用。
二、ZnxMg1-xO缓冲层的制备
采用掺Mg的高纯ZnO陶瓷靶，使用射频磁控溅射方法在金刚石薄膜的成核面上生长ZnxMg1-xO薄膜，系统的本底真空5×10-4Pa，x取值0.7；溅射的工作气体是Ar和O2的混合气体，Ar/O2流量比为2∶1；总气压在0.5Pa；溅射功率一般为150W；缓冲层厚度100nm。
三、n型ZnO薄膜的制备
采用射频反应磁控溅射法在ZnxMg1-xO缓冲层上制备ZnO薄膜，靶材为高纯ZnO(99.99％)陶瓷靶。沉积过程中，工作气体是Ar和O2的混合气体。Ar∶O2流量比在3∶1之间，工作气压0.4Pa。溅射功率150W，ZnO薄膜厚度150nm。ZnO靶材需掺杂微量Al，以制得n型ZnO薄膜。
四、ZnO基MESFET器件的制作
采用传统的光刻掩膜工艺在n型ZnO薄膜表面制作场效应晶体管(FET)器件的源、漏和栅电极。源、漏电极采用金作为电极材料；栅电极是氧气和氩气的混合气氛下溅射银形成的氧化银；栅长5微米，栅电极与源、漏电极间隔均为50微米，源、漏和栅电极厚度均为200纳米。源、漏、栅极均采用直流溅射的方法来制备。
对n型ZnO薄膜及其MESFET器件进行性能测试，结果显示ZnO薄膜具有高度c轴取向，电子载流子迁移率高达70cm2/v·s，远高于一般ZnO薄膜小于30cm2/v·s的迁移率；器件栅电压为-1V时，饱和漏电流达到50μA；350℃温度下器件仍可以稳定工作，温度特性好于以其它材料作为衬底的ZnO器件；器件的场效应迁移率高达3.5cm2/v·s，好于一般ZnO器件的约1cm2/v·s。
本实施例中的n型ZnO薄膜场效应晶体管的层状结构可参见图1。
本发明中采用自支撑金刚石薄膜作为衬底材料，因为它具有较优功能，具有高的热导率和高的机械强度等。本发明ZnO薄膜的半导体场效应晶体管(MESFET)结构由ZnO和它上面的三个电极共同组成，其中两个Au电极为欧姆接触，栅极AgO为肖特基接触。
本发明中，金刚石薄膜与n型ZnO薄膜之间设有缓冲层，这是由于金刚石为立方相，与ZnO六方晶型堆积的晶体结构不同，故引入了缓冲层，以减少它们之间的晶格失配度，提高ZnO薄膜的生长质量。
Claims (1)
1.一种ZnO薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a.自支撑金刚石薄膜衬底的制备
(1)、采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底；采用HF酸超声清洗5-15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅片机械研磨10-15分钟；将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10-20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内；
(2)、用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5-7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入甲烷、氢气的混合反应气体，调节甲烷、氢气的流量分别为1-10标准毫升/分、100-160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.8-1.5kPa，硅片温度控制在650-750℃，微波功率设定为1800-2500W，薄膜生长时间100-150小时；
(3)、将制备的金刚石薄膜置于1∶1的HF+HNO3浓溶液中，在室温下腐蚀10-15小时，待硅片溶解后得到所需的自支撑金刚石薄膜衬底；再将其置于丙酮中超声浴清洗10-15min，然后置于去离子水中超声浴清洗10-15min，重复上述清洗步骤3-5遍直至表面洁净，最后取出自支撑金刚石薄膜烘干待用；
b.ZnxMg1-xO缓冲层的制备
采用掺Mg的高纯ZnO陶瓷靶，使用射频磁控溅射方法在金刚石薄膜的成核面上生长ZnxMg1-xO薄膜，x取值0.5-0.7；系统的本底真空2×10-4-5×10-4Pa；溅射的工作气体是Ar和O2的混合气体，Ar/O2流量比为3∶1到1∶1；总气压在0.3-0.8Pa；溅射功率为100-300W；缓冲层厚度50-100nm；
c.n型ZnO薄膜的制备
采用射频反应磁控溅射法在ZnxMg1-xO缓冲层上制备ZnO薄膜，靶材为纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶；沉积过程中，工作气体是Ar和O2的混合气体；Ar∶O2流量比在3∶1-1∶2之间，工作气压0.2-0.7Pa；溅射功率100-250W；ZnO薄膜厚度100-200nm；ZnO靶材需掺杂微量Al，以制得n型ZnO薄膜；
d.ZnO基MESFET器件的制作
采用传统的光刻掩膜工艺在n型ZnO薄膜表面制作场效应晶体管器件的源、漏和栅电极；源、漏电极采用金作为电极材料；栅电极是氧气和氩气的混合气氛下溅射银形成的氧化银；栅长5微米，栅电极与源、漏电极间隔均为50微米；源、漏和栅电极金属层厚度均为200纳米；源、漏、栅极均采用直流溅射的方法来制备。
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