氧化物半导体材料可以作为薄膜晶体管(TFTs)的有源层,在新兴的柔性或透明电子电路中具有广阔的应用前景。与传统的非晶硅相比,氧化物半导体具有多种优势,如可低温甚至室温制备,高载流子迁移率(-1-100 cm2V-1s-1),在可见光范围内透明性好等。但是,目前报导的绝大部分的氧化物半导体都是n型导电,只有少数氧化物表现出p型导电特性,而且已报导的p型氧化物薄膜晶体管通常具有较低的迁移率和开关比,这在很大程度上限制了基于互补金属氧化物半导体与pn结的器件及功能电路集成的发展。氧化亚锡(SnO)是近几年所报导的一种p型氧化物半导体材料,因其本征p型导电特性,高的空穴迁移率和良好的稳定性,被认为是最有应用前景的p型材料之一。本论文在基于大量关于p型SnO TFTs的文献调研,综述了该课题的研究现状,结合本实验室的已有条件,采用了底栅TFTs结构,制备工艺为:以热氧化SiO2(-100nm)/p型重掺杂Si为衬底,利用金属Sn靶的反应射频磁控溅射工艺沉积一层SnO作为器件的有源层;然后进行退火处理;最后利用电子束蒸发的方法在其上蒸镀金属材料作为晶体管的源漏电极。基于以上结构,本文通过调整退火温度,控制溅射功率,调节氧分压和改变电极材料,对p型SnO TFTs的性能进行了优化。重点探究了SnO有源层的厚度与钝化处理对薄膜晶体管性能的影响,同时在钝化层的基础上分析了SnO薄膜晶体管呈现出双极性的原因,主要研究内容如下:(1)溅射生长的SnO薄膜的热退火效应。研究发现未退火的SnO薄膜是非晶态,且由于反应溅射中氧化反应不充分,薄膜内部含有较多金属Sn,呈现低阻态。为了实现SnO的场效应调控,需进行退火处理。随退火温度升高(150-250℃),SnO沟道先呈现高阻态,后表现为p型特性,研究数据表明在退火过程中,金属Sn从薄膜中析出,同时部分被氧化成SnO等,SnO薄膜由非晶态逐渐转化为结晶态。(2)溅射功率对SnO薄膜导电性的影响。反应射频磁控溅射生长SnO薄膜的过程中,溅射功率影响薄膜的沉积速率及氧化反应的充分性,当溅射功率增大时,沉积速率增加,部分金属Sn因未完全氧化,导致薄膜中金属Sn的含量也逐渐增大。(3)溅射氧分压对SnO薄膜导电性的影响。在反应溅射制备SnO薄膜的过程中,氧分压影响金属Sn氧化反应的程度与充分性,进而影响薄膜的化学成分。氧分压过低导致金属Sn含量过高,反之则导致SnO2含量过高。本论文研究表明在溅射功率为50 W时,p型SnO的生长窗口在1.5%-4.2%之间,最佳的生长条件对应的氧分压为3.1%。(4)源漏电极材料的优化。对于p型SnO TFTs来说,有源层与金属电极之间的接触质量与器件的性能息息相关。本论文研究发现用钛做电极,可能会形成小的肖特基势垒,使得器件的关态电流大幅度降低,器件的电学性能更好。(5)SnO薄膜的厚度对p型SnO TFTs器件性能的影响。当薄膜厚度为20 nm时,器件的性能最好,当薄膜厚度降到15 nm及以下时,薄膜晶体管的迁移率和开关比则发生严重恶化。当薄膜厚度由20增加到30 nm时,器件的开关比减小,迁移率增加。一方面不断降低的SnO沟道层厚度导致了空穴载流子的减少。另一方面,周围环境也会对沟道层上表面造成影响。水分子的吸附和SnO2的存在均可以产生大量电子,导致器件性能发生恶化。(6)钝化处理及不同钝化材料(Al2O3、PMMA)对p型SnO TFTs器件性能的影响。施加钝化层,器件的电学性能均得到显著改善。对于底栅的SnO薄膜晶体管来说,对SnO上表面的钝化处理可以抑制薄膜的表面态,减少周围环境(空气中的水氧等)对沟道形成的缺陷态。这种表面钝化可以减少沟道层的缺陷态密度,提升器件性能。本论文的研究还表明与Al2O3相比,PMMA的钝化层更有效的减少SnO薄膜表面的浅能级缺陷,而Al2O3更有助于减少薄膜表面的深能级缺陷。(7)不同厚度Al2O3的钝化及不同热退火处理对SnO TFTsp)型导电与双极性导电的调控。本论文研究表明,对SnO上表面进行Al2O3钝化处理,且Al2O3厚度超过3nm之后再对钝化的SnO进行空气退火,可以高度抑制薄膜的表面态,可能原因是钝化层不仅减少周围环境(空气中的水氧等)对沟道形成的缺陷态,而且抑制了SnO2的形成。这种表面钝化及热退火可以高度减少沟道层的带隙态密度,使得费米能级可通过栅压在价带顶至导带底附近调控,从而实现双极性。