Тонкопленочные транзисторы на основе нанокристаллического CuAlO₂, полученные растворимым методом: оптимизированная p-типовая характеристика для дешевых CMOS-приложений

Аннотация

Хотя n-типичные металоксидные ТТП доминируют в области, высокопроизводительные p-типичные устройства остаются редкостью. В данном исследовании сообщается о масштабируемом растворимом методе изготовления нанокристаллических тонких пленок CuAlO₂ методом центрифугирования с последующим отжигом в азоте при температурах до 1000 °C. Систематический анализ микроструктуры, состава, морфологии и оптических свойств пленок демонстрирует полную фазовую трансформацию из смеси CuO/CuAl₂O₄ в однофазный CuAlO₂ выше 900 °C, что сопровождается повышением пропускной способности, ширины запрещенной зоны, размера зерен и шероховатости поверхности. Нижне затворные, верхне контактные p-типичные ТТП, изготовленные на подложках SiO₂/Si с использованием этих пленок, демонстрируют пороговое напряжение −1,3 В, подвижность по полю ≈0,1 см²/(В·с) и отношение вкл./выкл. ≈10³. Эти результаты представляют значительный шаг к дешевой комплементарной оксидной электронике.

Введение

Металоксидные тонкопленочные транзисторы (ТТП) являются неотъемлемыми элементами дисплеев нового поколения и гибкой электроники благодаря их превосходным электрическим характеристикам и оптической прозрачности. Однако основной прогресс сосредоточен на n-типичных оксидах, в то время как p-типичные аналоги отстают из-за фундаментальных проблем: локализованных орбиталей O 2p, высокой электроотрицательности и непреднамеренных донорских дефектов. Следовательно, разработка надежных p-типичных полупроводников на оксидной основе критически важна для создания полностью оксидных p-n переходов и CMOS-логических схем.

Оксиды делафосситов, в частности CuMO₂ (M = Al, Ga, In) и SrCu₂O₂, рассматриваются как перспективные p-типичные кандидаты. CuAlO₂ выделяется широкой запрещенной зоной (~3,5 эВ) и высокодисперсивной валентной зоной, доминируемой гибридизированными орбиталями O 2p и Cu 3d¹⁰, что способствует оптической прозрачности и дырочному переносу. Несмотря на ранние демонстрации в 1997 г., дефицит высококачественных растворимых ТТП на CuAlO₂ сдерживал развитие области. Магнетронное спуттерирование давало p-типичные устройства, но требует строгих вакуумных условий и сложной обработки. Напротив, растворимая обработка обеспечивает простоту, низкую стоимость, настраиваемость состава и атмосферную фабрикацию. Здесь представлено детальное исследование формирования тонких пленок CuAlO₂ методом центрифугирования, влияния температуры отжига на свойства пленок и характеристик нижне затворных ТТП с этими пленками.

Методы/Эксперимент

Подготовка прекурсора и изготовление тонких пленок

Прекурсоры CuAlO₂ синтезировали путем смешивания эквимолярных количеств нитрата меди тригидрата (Cu(NO₃)₂·3H₂O) и нитрата алюминия нонагидрата (Al(NO₃)₃·9H₂O) в этиленгликоле метиловый эфир при концентрации 0,2 М с добавлением ацетилацетона для стабилизации темно-зеленого раствора. Смесь перемешивали в водяной бане при 80 °C до однородности. Подложки SiO₂/Si последовательно очищали в ацетоне, этаноле и деионизированной воде (по 5 мин). Пленки наносили центрифугированием: 500 об/мин в течение 9 с, затем 5000 об/мин в течение 30 с, с последующим отжигом при 350 °C в течение 20 мин. Четырехкратное повторение цикла давало пленки толщиной ~40 нм, которые затем отжигали при 700–1000 °C в течение 2 ч в азоте с охлаждением в той же атмосфере.

Фабрикация ТТП на CuAlO₂

Нижне затворные ТТП изготавливали на подложках SiO₂/Si толщиной 300 нм. После осаждения CuAlO₂ источник и сток из золота (50 нм) термически испаряли (0,08 нм/с) через теневую маску, задавая ширину канала 1000 мкм и длину 100 мкм. Индиевый провод использовали в качестве задне затворного электрода.

Характеризация пленок и ТТП

Рентгеновская дифракция (XRD, Cu Kα, λ = 0,154 нм) определяла кристаллические фазы. Рамановские спектры регистрировали твердотельного лазера 633 нм (Renishaw-1000). Поверхностную морфологию изучали с помощью SEM (JSM-5600LV) и AFM (Veeco Dimension Icon). Рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS, Thermo Scientific Escalab 250 Xi) проводили после 3-нм эhtraвирования поверхности. Оптическую пропускание измеряли УФ-Виспектрофотометром (Varian Cary 5000). Электрические характеристики получали на параметрическом анализаторе полупроводников Keithley 2612B.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a показывает XRD-спектры пленок, отожженных при 700–1000 °C. При 700 °C наблюдаются только слабые пики CuO (35,8° и 38,9°). При 800 °C появляются новые пики: 31,7° (CuAlO₂) и 37,1° (CuAl₂O₄). Выше 900 °C интенсивность CuO снижается, CuAl₂O₄ исчезает; спектр доминируют пики CuAlO₂ при 36,8°, 42,5°, 48,5°, 57,5° и 31,7°. При 1000 °C достигается однофазный CuAlO₂, отражающий улучшенную кристалличность за счет более высокой тепловой энергии.

На рисунке 1b представлены рамановские спектры. Делфосситная структура поддерживает две активные моды: A₁g (416 см⁻¹) и E_g (771 см⁻¹). Обе моды присутствуют во всех пленках, подтверждая формирование CuAlO₂ даже при 700 °C, где XRD не дает однозначного результата. Дополнительные пики при 798, 297 и 632 см⁻¹ соответствуют вибрациям CuAl₂O₄ (F₂g) и CuO (A_g, B_g). Их интенсивность падает при повышении температуры отжига, в согласии с XRD.

XPS-анализ (рис. 2a) показывает пики Cu 2p₃/₂ при ~932,8 эВ (Cu⁺) и ~934,2 эВ (Cu²⁺). Доля Cu⁺ растет с 62,5 % при 700 °C до 78,9 % при 1000 °C, что свидетельствует о снижении Cu²⁺ и повышении фазовой чистоты. Сателлитные пики CuO исчезают после высокотемпературного отжига, подтверждая фазовый переход. Спектры O 1s (рис. 2b) демонстрируют доминирующий пик при ~529,8 эВ, указывающий на хорошо связанный кислород с минимальными дефектными состояниями.

SEM-изображения (рис. 3a) показывают непрерывные, безтрещинные пленки с однородным ростом зерен при повышении температуры отжига. AFM (рис. 3b) фиксирует увеличение среднеквадратичной шероховатости с 0,92 нм (700 °C) до 2,96 нм (1000 °C). Хотя крупные зерна уменьшают рассеяние на границах зерен, повышенная шероховатость может создавать ловушки на интерфейсе; баланс этих факторов влияет на работу устройств.

Оптическое пропускание (рис. 4) демонстрирует крутые края поглощения и сильное УФ-поглощение, что указывает на высокую кристалличность. Видимое пропускание возрастает с ~60 % до ~80 % с ростом температуры отжига. По графикам Таука ширина запрещенной зоны расширяется с 3,25 эВ (700 °C) до 3,80 эВ (1000 °C), отражая улучшенную кристалличность и снижение дефектных состояний.

Измерения устройств (рис. 5) показывают явное p-типичное поведение. Выходные характеристики (рис. 5b) демонстрируют рост тока в открытом состоянии с повышением температуры отжига, что связано с уменьшением CuAl₂O₄ и улучшением кристалличности CuAlO₂. Передаточные характеристики (рис. 5c–f) дают отношения вкл./выкл. ~10³ при всех температурах. Пороговое напряжение смещается в положительную сторону с температурой, а подвижность по полю растет с 0,006 до 0,098 см²/(В·с) между 700 °C и 1000 °C, что согласуется с улучшением связности зерен и уменьшением интерфейсных ловушек. Субпороговые наклоны также уменьшаются, указывая на меньше интерфейсных состояний.

Ключевые электрические параметры сведены в таблице 1. Наблюдаемые значения подвижности, хотя и ниже некоторых аналогов на CuCrO₂, заметны для растворимого p-типичного оксида. Дальнейшая оптимизация — например, снижение температуры отжига с помощью УФ/озонной фотокимической обработки или горения — может повысить производительность и практическую применимость процесса.

Заключение

Продемонстрирован масштабируемый растворимый способ получения нанокристаллических тонких пленок CuAlO₂. Отжиг выше 900 °C преобразует смешанные фазы CuO/CuAl₂O₄ в однофазный CuAlO₂, одновременно повышая пропускание, ширину запрещенной зоны, размер зерен и шероховатость поверхности. Нижне затворные ТТП с этими пленками показывают пороговое напряжение −1,3 В, подвижность ~0,1 см²/(В·с) и отношение вкл./выкл. ~10³. По сравнению с вакуумным спуттерированием, наш метод предлагает дешевую альтернативу с атмосферной обработкой, продвигая развитие комплементарной оксидной логики.