退火处理对MgZn0薄膜性能的影响

来源:用户上传      作者:吴昀卓 高晓红 秦大双 曾一明 张耕严 刘建文 岳廷峰

　　摘要：采用射频磁控溅射的方法在室温下制备了MgZn0薄膜，并将制备的薄膜在200℃、N2下进行退火处理。采用XRD表征薄膜的结晶情况，用AFM表征薄膜材料表明形貌，用EDS表征薄膜材料元素成分与含量，用紫外可见分光光度计测试薄膜透过率。结果表明，退火后薄膜结晶程度提高，晶粒尺寸变大，均方根粗糙度（RMS）降低，Mg元素原子百分比有所增加，可见光区域平均透过率为96%。
　　关键词：MgZn0薄膜晶体管;退火处理;射频磁控溅射
　　中图分类号：TN321
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）05-0250-03
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1 概述
　　近年来，基于Zn0的薄膜晶体管（TFT）由于其优异的性能（例如，与常规的基于硅的TFT相比高的电性能和对可见光的高光学透明性）而受到越来越多的关注。并在一系列应用中引起了极大的兴趣，例如柔性显示，生物传感器，太阳能电池和薄膜晶体管器件[1]。然而，这些特性会受到沟道层中氧空位和锌间隙等本征缺陷的強烈影响[2，3]。许多开创性研究致力于通过掺杂来进一步增强Zn0基薄膜晶体管的性能，Mg作为氧空位抑制剂是制备ZnO（MZO）的潜在候选材料之一[4]。第一，由于相似的离子半径（Mg2+： 0.57 A与2n2+： 0.60 A），Mg2+可以代替2n2+而不会引起明显的品格畸变。第二，Mg0的结合能比Zn0高，氧空位的形成能部分取决于Mg-O/Zn-0的结合能。第三，三元合金Mg cZnl-t0可以改善Zn0基薄膜晶体管的热和电性能[5]。
　　利用射频磁控溅射法制备的薄膜致密性好且与基底粘附紧密，但制备薄膜的过程，薄膜可能存在着残存的应力和缺陷，所以人们常常对制备好的样品进行退火处理[6'7]。这是因为退火处理可以有效消除残存应力，提高薄膜结晶度，改善薄膜的质量。本文采用射频磁控共溅射法在二氧化硅基底上制备了MgZn0薄膜晶体管，将制得的样品在200C、M下退火处理5min，利用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、能谱仪（EDS）、紫外分光光度计来研究退火对MgZn0薄膜性能的影响。
　　2 实验
　　制备过程中采用美国kurt.lesker的PVD75型磁控溅射设备在p-Si衬底上沉积MgZn0薄膜，p-Si衬底上有lOOnm的Si0，作为栅绝缘层。首先，将清洗好的2片Si衬底放人腔室中，使用双靶磁控共溅射，两个靶材分别为Zn0靶和Mg0靶，其纯度均为99.99%。先将腔室的真空度抽至5.Oxl0-5Torr.再通入纯度为99.999%的氩气进行起辉，起辉压强20mTori，起辉功率50W。将Ar：0，设置为95：5，沉积时Zn0靶溅射功率为100W，Mg0靶溅射功率为10W，溅射压强8mTorr，薄膜厚度40nm，生长温度为室温。取出后将一片样品在200CC、N，下退火5min，另一片样本不做退火处理作为对比。使用Bruker D 8 DISCOVER型号X射线衍射仪对MgZn0薄膜的结晶特性进行测试;采用AFM对薄膜的表面形貌进行表征;使用JE-OL JSM-7610F型扫描电子显微镜对薄膜进行了EDS测试;采用日本岛津公司的UV-2600型号紫外分光光度计，测定了薄膜的透射率。
　　3 结果与讨论
　　3.1 XRD分析
　　图l给出了MgZn0薄膜在二氧化硅衬底上原位生长和退火处理的XRD图谱。两个XRD图谱中无Mg0或其他Mg化合物的特征峰，表明薄膜中Mg元素已经很好地掺杂进入Zn0薄膜并取代Zn原子嘲。从图中可以看出，所有的薄膜样品的XRD图谱中均有一个突出的衍射峰，在20 =34.40左右，对应Zn0的（002）晶面，由此表明所制备的MgZn0薄膜均呈现c轴（002）晶面择优取向生长[9]。退火之后的衍射峰强度要高于未退火时，原因在于未退火时，由于MgZn0晶格中存在较大的间隙空间，薄膜中存在大量的间隙原子和缺陷，而间隙原子和缺陷的存在，使晶格原子并非处于理想状态排布，薄膜的c轴取向还不明显，衍射峰强度比较低。退火时，由于薄膜内原子已经获得了足够大的能量，间隙原子获得足够的能量迁移到品格位置，缺陷大量被复合，晶格中的各种缺陷大量减少，晶格原子排布趋于理想，薄膜的c轴择优取向性更加明显，衍射峰强度增加[10]。根据Scherrer公式[11]计算MgZn0薄膜的晶粒粒径
　　D= KA/（Bcos0）
　　式中：D为晶粒粒径;K=0.89;λ=0.15406nm，B为半宽高;0为衍射角。求得退火前晶粒粒径17.503nm，退火后晶粒粒径 25.112nm。
　　3.2 AFM分析
　　如图2所示，为了更好地理解MgZn0薄膜的微观结构，拍摄了描绘薄膜表面形态的AFM图像，未退火和2000C处理的MgZn0薄膜的均方根（RMS）粗糙度分别为2.678nm和1.513nm。说明退火有利于消除薄膜近表面的缺陷，获得结晶良好的薄膜材料，光滑的表面显示出良好的界面特性，并可以有效地抑制界面电荷陷阱的形成并减少载流子散射[12]，从而实现高的场效应迁移率进而提高TFT的性能。
　　3.3 EDS分析
　　图3为退火前后MgZn0薄膜的EDS图。图中分别显示了Mg.Zn和0元素，其中最高的是锌元素。通过比较可以发现：薄膜经过退火处理后，Zn元素的原子百分比由退火前的37.49at%变为36.02at%;0元素的原子百分比由退火前的60.2lat%变为59.3lat%;Mg元素的原子百分比由退火前的2.23at%变为4.67at%。EDS测得退火前薄膜表面Mg元素所占比例较少，经过退火处理后Mg元素更加均匀，因此EDS测得的Mg元素比例相对提高。
　　3.4光学特性分析 　　图4表示MgZn0薄膜在200nm - 800nm波长范围内的透射光谱。薄膜退火前后在可见光区域内的平均投射率几乎没有变化，平均透射率约为96%，而且在波长380nm处有较为明显的吸收边。退火后薄膜光学吸收边蓝移，表明退火后薄膜带隙宽度变大，根据对应Tauc公式[13]：
　　（ahv）=B（hv - Eg）1/2
　　可计算出其带隙宽度，图5为退火前后MgZn0薄膜的带隙图。退火前带隙3.24eV，退火后带隙3.32eV。相比退火前，退火后的薄膜带隙宽度有所增大，我们认为这是由于退火使样品中的Mg元素获得足够的能量迁移至Zn0膜层，并取代了Zn原子，同时退火也使其在薄膜内部的分布更加均匀，而Mg0的带隙宽度约为7.8eV，大于Zn0的带隙宽度3.24eV，我们认为这是退火后薄膜带隙宽度增大的主要原因[14]。
　　4 结论
　　本文研究了退火对MgZn0薄膜晶体管薄膜性能的影响。结果表明，退火之后薄膜的结晶质量变好，晶格缺陷减少且晶粒尺寸变大，薄膜材料表面粗糙度降低，Mg元素原子百分比增加分布更均匀，可见光区域平均透过率96%，具有陡峭的吸收边。对薄膜进行退火处理，可以降低MgZn0薄膜的缺陷，提高其在应用中的电学性能。
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　　收稿日期：2019-11-02
　　基金項目：大学生创新创业训练计划项目（201910191059）
　　作者简介：吴昀卓（1999-），男，吉林省白山市靖宇县人，大学本科;高晓红，副教授，硕士，博士在读，主要斫究方向为电子信息科学;秦大双，男，大学本科;曾一明，男，大学本科;张耕严，男，大学本科;刘建文，男，学士，硕士在读;岳廷峰，男，学士，硕士在读。
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