CN103107205A

CN103107205A - 一种石墨衬底上的氧化锌基mos器件

Info

Publication number: CN103107205A
Application number: CN2013100189112A
Authority: CN
Inventors: 边继明; 张志坤; 秦福文; 刘维峰; 骆英民
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件。其特征是在具有高导电、导热性能的石墨衬底材料表面上，采用射频磁控溅射方法，依次生长绝缘层（如：SiO₂、Ga₂O₃、ZnMgO、VO₂或MgO）和半导体层ZnO薄膜而制得ZnO基MOS器件。通过控制射频磁控溅射功率、腔室真空度、衬底温度和后续器件退火工艺，可以实现对制得的绝缘层、半导体ZnO薄膜晶体质量的有效控制，并进而实现对ZnO基MOS器件电学性能的控制。该法工艺简单易行，成本低廉。

Description

一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件

技术领域

本发明涉及一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件。属于半导体材料技术领域。

背景技术

ZnO材料作为一种新型的直接帯隙紫外光电半导体材料，其禁带宽度~3.3eV，对应的带边跃迁光子波长为360~390nm，特别是其激子束缚能高达60meV，因而激子增益高，非常适合制备发光器件。由于ZnO单晶薄膜很难获得，加之稳定可靠的p型掺杂技术还存在很多困难，目前报道的器件发光效率还非常低，功率很小，ZnO基器件离实现良好的电注入发光还有很大距离。此外，器件散热性能的好坏严重影响ZnO基光电子器件以及高功率器件的性能和使用寿命。因此，在ZnO基光电子器件应用领域中一个最为重要也最为关键的问题就是器件衬底的选择，因为ZnO薄膜的质量好坏以及器件的制备、性能都对衬底具有非常大的依赖性。迄今为止，国内外科学家通过各种制备方法在GaAs, sapphire, ZnO, ScMgAlO₄, and Si等一系列单晶衬底上制备出了高质量的ZnO薄膜材料。然而，这些衬底材料由于价格昂贵，热导率低，资源有限等因素，不仅加大了ZnO基光电子器件的生产成本，而且严重阻碍了器件的性能和使用寿命。同时也给废弃的器件回收处理也带来了很大的不便。另外，对于一些特殊的器件应用领域，如：大面积可以折叠显示器以及高功率器件等，需要将制备好的ZnO纳米材料转移到柔性衬底或者金属衬底上进行后续的加工处理和器件制备。然而，由于ZnO薄膜材料和上述单晶衬底之间具有很强的附着力，很难从衬底上剥离下来，这就为ZnO材料在相关应用领域的应用增加了一大难题。石墨衬底相对于传统基片具有非常独特优点，如：低成本、优异的机械性能和化学稳定性以及其导电和散热性能远远超过金属铜，在高功率器件领域具有广阔的应用前景；同时可以通过微机械剥离等手段对石墨进行剥离，使得在石墨衬底上制备的ZnO基光电子器件可以转移到其它衬底上。

综上所述，我们把目光转向新型的ZnO基MOS结构器件，实验结果证实该器件和传统器件相比具有优异的散热性能、良好的二极管IV整流特性以及奇特的负电容现象。因此，该结构器件在ZnO基大功率长寿命和可转移电子器件领域具有重大应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于解决影响ZnO基光电子器件以及高功率器件性能和使用寿命的散热性能问题，以及对于一些特殊的器件应用领域，如：大面积可以折叠显示器以及高功率器件等，由于ZnO薄膜材料和GaAs, 蓝宝石, ZnO, ScMgAlO₄, Si等一系列单晶衬底之间具有很强的附着力，很难从衬底上剥离下来，从而影响将制备好的ZnO纳米材料转移到柔性衬底或者金属衬底上进行后续的加工处理和器件制备这一难题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件。

本发明提供的一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件，是在石墨衬底材料表面上，依次生长绝缘层和半导体层 ZnO 薄膜，制得ZnO 基MOS器件。

其中，所述绝缘层为SiO₂、Ga₂O₃、ZnMgO、VO₂或MgO。

其中，所述绝缘层的厚度为50至300 nm。

其中，所述ZnO 薄膜的厚度为50至300 nm。

其中，所述ZnO 基MOS器件结构上下表面蒸镀欧姆接触电极，再切割成小片即得氧化锌基金属-绝缘体-半导体原型器件。

本发明提供的一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件制备方法，包括以下步骤：步骤1：在石墨衬底材料表面上，生长绝缘层；步骤2：在绝缘层上生长半导体层 ZnO 薄膜，制得ZnO 基MOS器件。

其中，所述石墨衬底上的氧化锌基MOS器件制备方法进一步包括：步骤3：将制备好的ZnO基MOS结构在惰性气体下，温度400-600℃，进行快速热退火3-10分钟。

其中，采用射频磁控溅射法生长绝缘层和ZnO 薄膜，溅射功率为120-180W，工作气体为高纯惰性气体，溅射时腔室气体压强为2.0-4.0 Pa。

其中，所述绝缘层为SiO₂、Ga₂O₃、ZnMgO、VO₂或MgO；所述绝缘层的厚度为50至300 nm。

其中，所述ZnO 薄膜的厚度为50至300 nm。

有益效果：本发明的意义在于解决影响ZnO基光电子器件以及高功率器件的性能和使用寿命的散热性能问题，以及对于一些特殊的器件应用领域，如：大面积可以折叠显示器以及高功率器件等，由于ZnO薄膜材料和GaAs, 蓝宝石, ZnO, ScMgAlO₄, Si等一系列单晶衬底之间具有很强的附着力，很难从衬底上剥离下来，从而影响将制备好的ZnO纳米材料转移到柔性衬底或者金属衬底上进行后续的加工处理和器件制备这一难题。提供一种在石墨衬底上制备氧化锌基金属-绝缘体-半导体器件的新方法，以满足制备氧化锌基MOS器件等光电子器件方面的需要。具有工艺简单易行，成本低廉的优点。氧化锌基MOS器件的实现必将进一步促进ZnO光电信息功能材料和器件的应用。

附图说明

图1为射频磁控溅射法生长绝缘层、半导体ZnO薄膜材料的装置示意图。

图2为ZnO基MOS结构二极管原型器件的结构示意图。

图3为ZnO基MOS结构二极管原型器件室温I-V特性图（实施例1）。

图4为ZnO基MOS结构二极管原型器件室温I-V特性图（实施例2）。

图5为ZnO基MOS结构二极管原型器件室温I-V特性图（实施例3）。

图6为ZnO基MOS结构二极管原型器件和P-GaN/ZnO异质结LED在相同工作条件下的温度随工作时间的变化图。

图7 为ITO薄膜与ZnO薄膜之间的欧姆接触示意图。

图8为ZnO基MOS结构二极管原型器件典型的负电容图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图1至8以进一步阐明本发明具体的实施过程以及实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

本发明的实现过程包括两部分，即（1）绝缘层（如：SiO₂、 Ga₂O₃、 ZnMgO、VO₂ 或 MgO）、半导体ZnO薄膜材料的生长,（2）氧化锌基金属-绝缘体-半导体原型器件的制备。本发明的材料生长工艺采用射频磁控溅射法，即电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。该方法比较容易实现。在具有高导电、导热性能的石墨衬底表面上，先后生长绝缘层（如：SiO₂、 Ga₂O₃、 ZnMgO、VO₂ 或MgO等）和半导体 ZnO 薄膜即可制得氧化锌基MOS结构器件。其中绝缘层（如：SiO₂、 Ga₂O₃、 ZnMgO、VO₂ 或MgO等）和半导体 ZnO 薄膜是通过高纯石英（SiO₂，99.99%）、氧化镓（Ga₂O₃，99.99%）、锌镁氧（ZnMgO，99.99%）、二氧化钒（VO₂，99.99%）、氧化镁（MgO，99.99%）和氧化锌（ZnO，99.99%）陶瓷靶磁控溅射实现的。通过在生长的氧化锌基MOS器件结构上下表面蒸镀欧姆接触电极，再切割成小片即得氧化锌基金属-绝缘体-半导体原型器件。

实施例1：

衬底采用具有高导电、导热性能的石墨。溅射功率为130W，工作气体为高纯Ar气，溅射时腔室气体压强为3.0 Pa。

制备工艺如下：（1）在薄膜沉积之前，先将0.5×0.5 cm²的具有高导电、导热性能的石墨衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗10分钟，然后用高纯氮气将衬底吹干。（2）采用高纯石英陶瓷靶（99.99%）射频磁控技术在预先清洗好的石墨衬底上先生长一层二氧化硅（SiO₂）绝缘层（50 nm）。（3）在覆盖有二氧化硅（SiO₂）绝缘层的石墨衬底上采用高纯氧化锌（ZnO）陶瓷靶（99.99%）射频磁控溅射技术生长一层氧化锌（ZnO）薄膜（50 nm）。（4）将制备好的ZnO基MOS结构在高纯氮气下进行快速热退火5分钟（500℃），减少各沉积层之间和内部的晶格缺陷，提高薄膜质量。（5）在氧化锌薄膜上沉积一层（50 nm）氧化铟锡（ITO），然后将ZnO基MOS结构在高纯氮气下进行快速热退火3分钟（400℃），使氧化锌层和ITO形成良好的欧姆接触。石墨衬底由于具有高导电特性，因此可以作为电极使用。

以上条件下生长的氧化锌基金属-绝缘体-半导体器件经I-V（如图3所示）、C-V测试分析表明，新型的氧化锌基MOS器件具有良好的二极管整流特性和奇特的负电容现象，并且随着工作时间的延长，器件的温度基本保持在室温，没有明显变化。

实施例2：

制备工艺如下：（1）在薄膜沉积之前，先将0.5×0.5 cm²的具有高导电、导热性能的石墨衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗10分钟，然后用高纯氮气将衬底吹干。（2）采用高纯石英陶瓷靶（99.99%）射频磁控技术在预先清洗好的石墨衬底上先生长一层二氧化硅（SiO₂）绝缘层（150 nm）。（3）在覆盖有二氧化硅（SiO₂）绝缘层的石墨衬底上采用高纯氧化锌（ZnO）陶瓷靶（99.99%）射频磁控溅射技术生长一层氧化锌（ZnO）薄膜（50 nm）。（4）将制备好的ZnO基MOS结构在高纯氮气下进行快速热退火5分钟（500℃），减少各沉积层之间和内部的晶格缺陷，提高薄膜质量。（5）在氧化锌薄膜上沉积一层（50 nm）氧化铟锡（ITO），然后将ZnO基MOS结构在高纯氮气下进行快速热退火3分钟（400℃），使氧化锌层和ITO形成良好的欧姆接触。石墨衬底由于具有高导电特性，因此可以作为电极使用。

以上条件下生长的氧化锌基金属-绝缘体-半导体器件经I-V（如图4所示）、C-V测试分析表明，新型的氧化锌基MOS器件具有良好的二极管整流特性和奇特的负电容现象，随着绝缘层二氧化硅（SiO₂）厚度的增加，氧化锌基MOS器件的反向击穿电压增大，漏电流减小，开启电压相应增加。随着工作时间的延长，器件的温度基本保持在室温，没有明显变化。

实施例3：

制备工艺如下：（1）在薄膜沉积之前，先将0.5×0.5 cm²的具有高导电、导热性能的石墨衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗10分钟，然后用高纯氮气将衬底吹干。（2）采用高纯氧化镓陶瓷靶（99.99%）射频磁控技术在预先清洗好的石墨衬底上先生长一层氧化镓（Ga₂O₃）绝缘层（50 nm）。（3）在覆盖有氧化镓（Ga₂O₃）绝缘层的石墨衬底上采用高纯氧化锌（ZnO）陶瓷靶（99.99%）射频磁控溅射技术生长一层氧化锌（ZnO）薄膜（50 nm）。（4）将制备好的ZnO基MIS结构在高纯氮气下进行快速热退火5分钟（500℃），减少各沉积层之间和内部的晶格缺陷，提高薄膜质量。（5）在氧化锌薄膜上沉积一层（50 nm）氧化铟锡（ITO），然后将ZnO基MOS结构在高纯氮气下进行快速热退火3分钟（400℃），使氧化锌层和ITO形成良好的欧姆接触。石墨衬底由于具有高导电特性，因此可以作为电极使用。

以上条件下生长的氧化锌基金属-绝缘体-半导体器件经I-V（如图5所示）、C-V测试分析表明，新型的氧化锌基MOS器件具有良好的二极管整流特性和奇特的负电容现象，随着绝缘层氧化镓（Ga₂O₃）厚度的增加，氧化锌基MOS器件的反向击穿电压增大，漏电流减小，开启电压相应增加。随着工作时间的延长，器件的温度基本保持在室温，没有明显变化。

Claims

1.一种石墨衬底上的氧化锌基MOS器件，其特征在于，石墨衬底上的氧化锌基MOS器件是在石墨衬底材料表面上，依次生长绝缘层和半导体层 ZnO 薄膜，制得ZnO 基MOS器件。

2.根据权利要求1所述的石墨衬底上的氧化锌基MOS器件，其特征在于，所述绝缘层为SiO₂、Ga₂O₃、ZnMgO、VO₂或MgO。

3.根据权利要求1或2所述的石墨衬底上的氧化锌基MOS器件，其特征在于，所述绝缘层的厚度为50至300 nm。

4.根据权利要求1或2所述的石墨衬底上的氧化锌基MOS器件，其特征在于，所述ZnO 薄膜的厚度为50至300 nm。