可降解半导体材料和介质材料的瞬态特性研究

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半导体器件是现今电子信息产业的基石,如何实现半导体材料和介质材料的瞬态可控降解是实现瞬态电子器件及集成电路的技术关键所在。为此,本文重点开展了瞬态半导体材料与介质材料相关研究,初步研究了ZnO和IZO半导体材料的瞬态特性和电学特性;探索了常规介质(如SiO2)和高K介质(如Al2O3、MgO)等介质材料的瞬态特性和电学特性。掌握了瞬态半导体、介质材料的设计方法、关键制备工艺以及瞬态降解特性测试技术;明确了材料降解的物理过程,构建了物理模型。针对可降解半导体材料的研究,采用溶液法制备了不同温度下退火的IZO薄膜,研究了温度和薄膜层数对晶体管性能的影响。利用溶液旋涂法旋涂两层并在350℃下退火,器件的迁移率μ能达到9.5 cm2/V·s,阈值电压VTH是9 V,开关比Ion/Ioff达到4.71×106。之后对整个TFT器件的瞬态特性做了研究,器件在37℃的DI-water中浸泡2 min后性能下降明显,浸泡4 min后完全失效。采用溶液法和磁控溅射技术分别生长ZnO薄膜,并对薄膜进行瞬态特性研究,实现了ZnO薄膜的可控降解。针对可降解介质材料的研究,采用ALD技术生长Al2O3薄膜,探索了温度和PH值对Al2O3材料溶解特性的影响,初步建立了Al2O3的瞬态溶解模型,可以实现几十分钟到几小时的可控降解。以Al2O3作为栅介质层,IZO为沟道层制备了TFT器件,器件的迁移率μ为6.02 cm2/V·s,阈值电压VTH是-1 V,开关比Ion/Ioff达到1.36×103。之后研究了整个TFT器件的瞬态特性,器件在37℃的PH6的磷酸盐缓冲液中浸泡4min后完全失效。采用磁控溅射技术生长MgO薄膜,并研究了不同溅射功率和退火温度对薄膜表面形貌的影响,发现采用溅射功率150 W和500℃的退火温度能够得到较好的成膜质量。进一步探索MgO薄膜的瞬态特性发现其在酸性环境下表现出较好的溶解特性,几十分钟就能实现完全溶解。之后对MgO的电学特性做了研究,结果表明在单位场强下其漏电流低至5.8×10-6 A/cm2,表现出较好的绝缘特性。采用MgO作为绝缘层制备了薄膜晶体管,并对其瞬态特性做了研究,发现其在溶解4 min后器件完全失效。采用E-beam技术生长SiO2薄膜,并对其做瞬态特性研究,发现其在碱性环境下可以实现数小时到数十天的可控溶解。
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