寧波材料所p型SnO薄膜及其電子學(xué)器件研究取得系列進(jìn)展
薄膜晶體管（Thin-film transistor, TFT）是一類(lèi)重要的半導(dǎo)體器件，在信息顯示、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。最近幾年，寬帶隙氧化物半導(dǎo)體由于其具有低溫成膜、高電子遷移率、可見(jiàn)光透明等優(yōu)點(diǎn)，成為電子學(xué)中的研究熱點(diǎn)，發(fā)展成為一個(gè)分支—透明電子學(xué)。基于氧化物的薄膜晶體管和平板顯示技術(shù)相結(jié)合，將使得顯示屏幕更清晰、明亮，從而帶來(lái)顯示技術(shù)革新。開(kāi)展這方面的研究將有利于提升我國(guó)寬禁帶氧化物材料與器件應(yīng)用研發(fā)實(shí)力，滿足國(guó)家對(duì)信息顯示方面的重大需求。然而，因?yàn)槎鄶?shù)氧化物半導(dǎo)體呈本征n型導(dǎo)電特性，氧化物TFT的應(yīng)用被限制在n型，而p型和n型半導(dǎo)體材料對(duì)于氧化物TFT的發(fā)展同等重要。一方面p型氧化物TFT由于具有空穴注入的特點(diǎn)從而更適合驅(qū)動(dòng)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）高開(kāi)口率像素單元；另外一方面n溝道TFT只有與p溝道TFT聯(lián)結(jié)才能組成氧化物雙極性薄膜晶體管以及互補(bǔ)型反相器邏輯電路，這些是實(shí)現(xiàn)透明電子器件應(yīng)用的基礎(chǔ)；此外，氧化物半導(dǎo)體材料的p型導(dǎo)電極性轉(zhuǎn)變，制備與n型電學(xué)性能相匹配或者具有器件質(zhì)量的p型氧化物半導(dǎo)體材料是目前氧化物研究的瓶頸，因?yàn)槟壳皃型氧化物半導(dǎo)體材料的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于n型氧化物半導(dǎo)體材料，具有高空穴遷移率、結(jié)構(gòu)和物性穩(wěn)定、易于制備的p型氧化物半導(dǎo)體材料極為短缺，大大限制了透明氧化物電路的發(fā)展。
非故意摻雜氧化亞錫（SnO）是一種p型氧化物半導(dǎo)體材料，寧波材料所功能材料與納米器件事業(yè)部曹鴻濤課題組開(kāi)展了SnO相關(guān)材料和薄膜晶體管研究，梁凌燕博士后與合作導(dǎo)師曹鴻濤和潘曉晴教授采用兩步法制備出純相的SnO薄膜（圖1），該制備方法已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：200910152532.6），并對(duì)其光電性能（圖2）和價(jià)帶電子結(jié)構(gòu)（圖3）做了研究，發(fā)現(xiàn)SnO價(jià)帶頂電子結(jié)構(gòu)與SnO2有很大不同，SnO所對(duì)應(yīng)的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)耦合了其p型導(dǎo)電特性，在石英（γ-plane藍(lán)寶石）襯底上制備的SnO薄膜電學(xué)性能參數(shù)分別為：空穴遷移率1.4 cm2 V?1 s?1（2.0 cm2 V?1 s?1），空穴濃度2.8×1016 cm?3（5.2×1016 cm?3）。在材料研究基礎(chǔ)上我們將工作向下延伸，成功制備出Si/SiO2/SnO/NiAu底柵結(jié)構(gòu)薄膜晶體管（圖4），所得閾值電壓、開(kāi)關(guān)比和飽和區(qū)場(chǎng)效應(yīng)遷移率分別為-3.5 V，200和0.46 cm2V-1s-1，晶體管器件制備方法已申請(qǐng)了專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：201010040097.0）。部分學(xué)術(shù)研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)應(yīng)用材料與界面》（ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI: 10.1021/am900838z）和《電化學(xué)會(huì)志》（J. Electrochem. Soc., 2010, 157, H598）上。
曹鴻濤課題組與美國(guó)密歇根大學(xué)潘曉晴教授課題組對(duì)SnO材料開(kāi)展了合作研究，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在硅和藍(lán)寶石襯底上制備出SnO薄膜，發(fā)現(xiàn)低溫制備的SnO是非晶或者納米晶，襯底溫度為600 oC時(shí)，可以生長(zhǎng)出外延或者具有織構(gòu)取向的薄膜，通過(guò)電學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)SnO薄膜的空穴濃度和遷移率分別在1017-1019 cm-3和0.1-2.6 cm2V-1s-1范圍內(nèi)，制備的薄膜樣品的p型導(dǎo)電性可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，研究結(jié)果在《應(yīng)用物理快報(bào)》（Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 042113）上發(fā)表。
該項(xiàng)研究工作得到了中科院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國(guó)際合作伙伴計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目（合作）、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)獲得者科研啟動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)資金（合作）、浙江省錢(qián)江人才計(jì)劃項(xiàng)目、博士后基金支持。
沉積態(tài)和退火態(tài)SnO薄膜X射線衍射圖譜 沉積態(tài)和退火態(tài)SnO薄膜透射率光譜
SnO 和SnO2的價(jià)帶譜 p型溝道SnO薄膜晶體管輸出曲線
?。ü└澹杭{米事業(yè)部 曹鴻濤）