용액 처리된 나노결정질 p형 CuAlO2 박막 트랜지스터의 준비 및 특성화

결과 및 토론

그림 1a는 CuAlO₂의 XRD 패턴을 보여줍니다. 다른 온도에서 어닐링된 박막. 700°C에서 어닐링된 필름의 경우 35.8° 및 38.9°에서 약한 CuO 상 회절 피크만 관찰되었으며, 이는 700°C가 CuAlO₂ 형성에 충분하지 않음을 나타냅니다. 단계 [11]. CuAlO₂에 할당된 31.7° 및 37.1°에서 두 개의 새로운 피크 및 CuAl₂ O₄ 위상은 각각 800°C 어닐링 후에 관찰되었습니다. 온도가 900°C에 도달하면 CuO 피크의 강도가 감소하고 CuAl₂ O₄ 위상 피크가 사라집니다. CuAlO₂에 할당된 36.8°, 42.5°, 48.5°, 57.5° 및 31.7°의 여러 새로운 피크 단계, 영화를 지배 [9, 12]. 온도가 1000°C로 추가로 증가하고 피크 강도가 증가했으며 단일 CuAlO₂ 위상을 얻었다. 결정도의 향상은 더 많은 에너지 흡수가 더 높은 어닐링 온도에서 결정의 성장을 가속화한다는 사실에 기인할 수 있습니다.

아 XRD 패턴. ㄴ CuAlO₂의 라만 스펙트럼 다른 온도에서 어닐링된 박막

그림 1b는 CuAlO₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 박막. 델라포사이트 구조 CuAlO₂의 4원자 원시 세포 12개의 일반 모드로 이어지지만 A_1g만 (416cm ⁻¹ ) 및 E_g (771cm ⁻¹ ) 모드는 라만 활성입니다. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 두 개의 라만 진동 모드 A_1g 그리고 E_g , 둘 다 모든 영화에 존재합니다[13]. XRD의 벌크 분석과 달리 라만 산란은 극소량의 농도에서 라만 활성 분자의 진동을 감지할 수 있는 분자 진동 및 격자 진동에서 발생합니다. CuAlO₂의 존재를 설명합니다. XRD 스펙트럼에서 관찰할 수 없는 700°C 어닐링된 필름의 상입니다. 기타 최고점은 798cm ⁻¹ 입니다. , 297cm ⁻¹ 및 632cm ⁻¹ F_2g에 할당된 것도 관찰되었습니다. CuAl₂ 모드 O₄ , A_g , 및 B_g CuO의 모드, 각각 [14]. CuO 및 CuAl₂ 피크 O₄ 어닐링 온도가 700°C에서 1000°C로 증가함에 따라 상이 감소하고 두 상은 상 CuAlO₂로 전환됩니다. 1000°C 열처리 후 XRD 결과와 일치합니다.

CuAlO₂의 화학 조성을 이해하려면 다른 온도에서 어닐링된 박막, XPS 측정이 수행되었으며 Cu 2p 코어 레벨 스펙트럼이 그림 2a에 나와 있습니다. 일반적인 Cu 2p3/2 피크는 ~ 932.8 및 ~ 934.2 eV에 위치한 두 개의 피크에 맞출 수 있으며, 이는 Cu ⁺ 에 기인할 수 있습니다. 및 Cu ²⁺ , 각각. 유사하게, 장착된 Cu 2p1/2 디콘볼루션 2개의 피크는 ~ 952.6(Cu ⁺ ) 및 ~ 954.1eV(Cu ²⁺ ), 각각 [15]. Cu 2p의 스핀-궤도 분할이 ~ 19.8eV이기 때문에 2p3/2 및 2p1/2 피크는 피팅 동안 면적비에 대해 제한되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 Cu 2p3/2 피크와 Cu 2p1/2 피크의 면적비는 ~ 1.90으로 전자 상태 밀도에서 결정되는 이상적인 값 2에 가깝습니다[14]. ~ 932.8eV(Cu ⁺ ) 및 ~ 952.6eV(Cu ⁺ ) Cu 양이온이 주로 Cu ⁺ 에 존재함을 나타냅니다. CuAlO₂ 형식 격자. Cu ²⁺ 상태는 모든 필름에서 나타 났지만 XRD에 의해 고온 어닐링 된 샘플에서 CuO 피크가 감지되지 않았습니다. 한편, 941.2~944.4eV에서 관측된 위성 피크도 CuO의 존재를 암시합니다. 그러나 위성 피크는 고온 어닐링 후 거의 무시할 수 있으며 이는 위의 XRD 관찰과 일치합니다. XPS 스펙트럼의 정량 분석 ​​결과 Cu ⁺ /[Cu ⁺ +Cu ²⁺ ] CuAlO₂에 대한 62.5%, 68.9%, 73.7% 및 78.9%의 원자 비율 Cu ²⁺ 의 감소를 나타내는 각각 700, 800, 900 및 1000°C에서 어닐링된 박막 어닐링 온도의 증가와 함께 [10, 16]. XPS O 1s 피크는 그림 2b에 나와 있습니다. 결합 에너지가 ~ 529.8eV를 중심으로 대칭적인 우세한 피크를 나타내는 것이 흥미로웠으며, 이는 대부분의 산소 원자가 가장 가까운 이웃 금속 이온(Cu ⁺ )에 결합되어 있음을 나타냅니다. , 알 ³⁺ , 또는 Cu ²⁺ ) 격자에서. 산소 관련 결함으로 인한 ~ 531.3 eV의 피크는 거의 구별할 수 없습니다. 이 결과는 표면 식각 공정의 도입과 높은 결정화 품질로 설명할 수 있습니다.

아 Cu 2p. ㄴ CuAlO₂의 O 1s XPS 스펙트럼 다른 온도에서 어닐링된 박막

CuAlO₂의 표면 형태 박막은 그림 3a와 같이 SEM으로 관찰되었습니다. 모든 필름은 명백한 미세 균열 없이 연속적이고 매끄럽고 조밀한 구조 형태를 나타냅니다. 결정립 크기는 균일하며 열처리 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 점차적으로 확대된 결정립 크기는 더 적은 결정립계로 이어지며, 이는 트랩핑 사이트 역할을 하고 나노결정질 CuAlO₂의 이동도를 상당히 감소시킵니다. 영화 [17]. 따라서 CuAlO₂ 고온에서 박막 어닐링은 전하 수송에 유리하며 고성능 TFT를 생성할 수 있습니다[18]. 표면 거칠기는 산화물 TFT의 전기적 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있는 또 다른 요소입니다[19]. RMS(Root Mean Square) 거칠기를 얻기 위해 CuAlO₂ 그림 3b와 같이 AFM으로 박막을 조사했습니다. 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C에서 어닐링된 필름의 RMS 거칠기는 각각 0.92, 1.82, 2.12, 2.96nm였습니다. 분명히, RMS는 어닐링 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 일반적으로 거친 표면은 전기적 결함이나 트래핑 사이트의 존재로 이어져 장치 성능이 저하됩니다[20]. 따라서 나노결정질 산화물 TFT의 성능에 영향을 미치기 위해서는 결정립 크기와 표면 거칠기 사이에 경쟁 관계가 있어야 한다고 가정하였다.

아 SEM. ㄴ CuAlO₂의 AFM 다른 온도에서 어닐링된 박막

CuAlO₂의 광 투과 스펙트럼 용융 실리카의 박막은 그림 4와 같이 200~800nm의 파장 범위에서 측정되었습니다. 모든 필름이 가파른 흡수 가장자리와 강한 자외선 흡수를 갖는 것으로 관찰되었으며, 이는 필름의 우수한 결정도를 나타냅니다. 가시광선 영역의 평균 투과율은 ~ 60에서 ~ 80%로 계산되었으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 타우크의 관계 αhν =A (h ν − E _g ) ^1/2 광학 밴드 갭을 계산하기 위해 수행됩니다. 여기서 α 는 흡수 계수, A 직접 전환에 대한 상수, h 는 플랑크 상수이고 ν 는 광자 주파수[21]입니다. 예의 값 (αhν) 플롯의 선형 외삽법으로 제공됩니다. ² 대 hv 그림 4의 삽입과 같이 에너지 축으로. E _g CuAlO₂의 경우 3.25eV, 3.40eV, 3.60eV 및 3.80eV로 계산되었습니다. 박막은 각각 700°C, 800°C, 900°C 및 1000°C에서 어닐링되었습니다.

CuAlO₂의 광 투과 스펙트럼 다른 온도에서 어닐링 된 필름. 삽입은 (α hν) ² 대 영화의 hν

마지막으로 SiO₂에 하단 게이트 상단 접촉 TFT를 제작했습니다. CuAlO₂의 전기적 성능을 조사하기 위한 /p-Si 기판 채널 레이어로. 장치의 개략도는 그림 5a에 나와 있습니다. CuAlO₂의 출력 곡선 게이트-소스 전압(V _GS )의 − 50 V는 그림 5b에 나와 있습니다. 온 상태 전류(I _켜기 ) 소둔 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 이것은 주로 절연체와 같은 CuAl₂의 제거에 기인합니다. O₄ 상 및 나노결정 CuAlO₂의 향상 단계. 전달 곡선은 그림 5c–f에 나와 있으며 CuAlO₂ TFT는 전형적인 p -유형 행동. 모든 장치는 적당한 온/오프 전류 비율을 보여줍니다(I _켜기 /나 _꺼짐 ) ~ 10 ³ 채널 두께, 양이온 도핑 또는 소스/드레인 재료 변경을 최적화하여 더 개선할 수 있습니다[22,23,24]. 임계 전압(V _T )는 I에 대한 선형 피팅의 수평 축 절편으로 결정됩니다. _DS ^1/2 -V _GS 곡선. V _T 어닐링 온도의 증가와 함께 플러스 쪽으로 이동합니다. 필드 효과 이동성(μ _FE ), 하위 임계값 기울기(SS) 및 인터페이스 트랩 밀도(N _t )는 다음 방정식[25, 26]으로 계산할 수 있습니다.

아 CuAlO₂의 개략도 TFT. ㄴ 요약된 출력 곡선. ㄷ –f CuAlO₂의 전달 곡선 TFT는 각각 700°C, 800°C, 900°C 및 1000°C에서 어닐링되었습니다.

여기서 k 볼츠만 상수, T 온도는 q입니다. 는 전자의 기본 전하이고 C _소 는 게이트 절연체의 면적 커패시턴스[27]입니다. 장치의 주요 전기 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다. 보고된 n보다 크게 높은 SS 값을 볼 수 있습니다. - 유형 장치, 어닐링 온도의 증가에 따라 감소, V 경향과 일치 _T . 결과는 채널/유전체 인터페이스에서 트랩의 감소로 설명될 수 있습니다[28]. μ _FE 값이 0.006에서 0.098cm로 증가 ² V ⁻¹ s ⁻¹ 어닐링 온도가 700°C에서 1000°C로 증가함에 따라 혼합물에서 나노결정질 CuAlO₂로의 상 전환으로 인한 정공 수송의 개선을 나타냅니다. 및 입자 크기의 확대. μ _FE 용액 처리된 CuCrO₂보다 낮습니다. Nie et al[16]에 의해 보고된 TFT. 그 이유는 델라포사이트 나노결정질 CuAlO₂일 수 있습니다. 구조는 CuCrO₂보다 Cu-O-Cu 격자 함량이 부족합니다. [29]. 소자의 어닐링 온도는 실제 적용을 위해 높지만 용액 처리된 CuAlO₂에 대한 첫 번째 보고서입니다. TFT. UV/오존 광화학 반응 및/또는 연소 합성에 의한 열처리 온도의 추가 감소가 현재 진행 중입니다[23, 30, 31].