ZnO基MIS结构器件制备工艺与性能实验设计_咸冯林.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 005ZnO 基 MIS 结构器件制备工艺与性能实验设计咸冯林，徐林华，郑改革，赵立龙，裴世鑫(南京信息工程大学 物理与光电工程学院，南京 210044)摘要:基于第 3 代氧化物半导体材料设计了一种金属-绝缘体-半导体(MIS)结构器件制备与表征的综合性实验。通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在 C 面蓝宝石衬底上合成了 ZnO/ZnMgO 多量子阱/ZnO 结构，采用磁控溅射法分别在300、400 和 500 下沉积厚度为 50 nm 的 MgO 绝缘层。采用紫外曝光、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀和电子束蒸发工艺制备了 MIS 结构器件，器件具有良好的整流特性。关键词:多量子阱;金属-绝缘体-半导体结构;光电器件中图分类号:TN 364;TN 23;O 472文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0019 04Experimental Design for Synthesis and Characterization of ZnO BasedMetal-Insulator-Semiconductor(MIS)Structure DeviceXIAN Fenglin，XU Linhua，ZHENG Gaige，ZHAO Lilong，PEI Shixin(School of Physics and Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Information Science andTechnology，Nanjing 210044，China)Abstract:A comprehensive experiment for synthesis and characterization of MIS structure devices was designed basedon the third-generation oxide semiconductor The ZnO/ZnMgO multipile quantum well(MQW)/ZnO structure wasgrown on C-plane sapphire substrate by MOCVD 50 nm thick MgO insulator layers were deposited by magnetronsputtering method under 300，400 and 500，respectively The MIS structure devices were prepared by combinedultraviolet exposure，ICP etching and E-beam evaporation The devices exhibit good rectification behaviorKey words:multiple quantum well;MIS structure;optoelectronic device收稿日期:2022-05-11基金项目:国家自然科学基金面上项目(62075097);教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会 2019 年高等学校教学研究项目(DJZW201922hd);江苏省高等教育教改研究课题(2019JSJG549)作者简介:咸冯林(1986 )，男，江苏连云港人，讲师，主要从事宽禁带半导体光电功能材料与器件的研究。Tel:15951006115;E-mail:xfl nuist edu cn0引言金属-绝缘体-半导体(MIS)结构是一种常见的半导体光电子器件结构形式，当绝缘层采用氧化物时，也称为金属-氧化物-半导体(MOS)结构，最常见 MIS 结构是在硅片上生长一层薄氧化膜后再覆盖一层铝，形成 Al/SiO2/Si MIS 结构。60 年代以来，MIS 结构在超大规模集成电路和光电子器件的发展中起着十分重要的作用。随着第三代宽禁带半导体材料的发展，GaN、ZnO、SiC、Ga2O3基 MIS 结构光电子器件发展迅速1-4，在晶体管5、光电探测6-8、激光器9-10、传感器11 等领域具有广泛的应用。本文将科学前沿及创新性研究成果引入实验教学12，设计了一种 MIS 结构半导体器件工艺的综合性实验，通过“材料合成-器件制备-性能测试”的运作模式，整个实验过程包含结构特点、镀膜技术、紫外曝光、ICP 刻蚀、电极制备等先进制备工艺以及材料光学性能、刻蚀表面形貌、器件电学性能的测试与分析。实验利用 MOCVD 系统在蓝宝石衬底上通过两步第 41 卷法外延生长半导体薄膜，采用 ATC2400-V 型磁控溅射系统沉积 MgO 绝缘层;MA6 型紫外曝光系统在薄膜表面制备掩模版;ICP 刻蚀系统，以氢气、甲烷和氯气为刻蚀气体刻蚀薄膜;电子束蒸发系统沉积电极。整个实验过程包含材料合成、器件制备和器件性能测试 3个环节。1实验设计1 1材料制备1 1 1ZnO/ZnMgO 多量子阱/ZnO 结构采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)在 C 面的蓝宝石衬底上制备 ZnO 层和 ZnO/ZnMgO 多量子阱结构，ZnO/ZnMgO 多量子阱可以有效抑制缺陷发光和非辐射复合，增强电子跃迁光吸收效应 13-14。制备过程中采用两步生长法，首先在低温下生长缓冲层，用来减小蓝宝石衬底与ZnO 之间的晶格矢配问题;后采用高温外延的方法制备未掺杂的 ZnO。实验过程中采用二甲基锌(DMZn)作为锌源，叔丁醇和 N2O 分别为低温缓冲层和高温ZnO 外延生长的氧源，采用氮气作为载气和缓冲气体。低温缓冲层生长温度为 450，缓冲层厚度为400 nm，高温外延的温度为900。生长过程主要包括低温下ZnO 在蓝宝石衬底上成核生长、原位高温处理的缓冲层表面熟化以及高温的二维外延生长过程。生长室的压力为16 kPa。所制备的未掺杂 ZnO 薄膜的总厚度为3 m。随后，在 800 下在未掺杂 ZnO 薄膜上制备了 ZnMgO/ZnO 多量子阱结构，其中 Mg 含量为 7%，量子阱由 10 对 ZnMgO/ZnO 所组成，ZnO 阱厚度为 3nm，ZnO/ZnMgO 垒厚度为5 nm(见图1)。1 1 2MgO 绝缘层MgO 的带隙宽度约为 7 8 eV，是一种良好的绝缘材料13，15。实验采用 ATC2400-V 型磁控溅射系统，溅射腔初始真空度为 13 Pa，溅射气氛采用氩气和氧气，氩气与氧气的流量比例为 1 1，流量均为 10mL/min。溅射功率为 500 W，靶材采用高纯的 MgO 靶材。沉积前，先将 ZnO/ZnMgO 多量子阱/ZnO/蓝宝石衬底用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗10 min，溅射温度分别为 300、400 和500。溅射时间为 2 h，所制备的 MgO 的厚度约为 50 nm。(a)样品结构图(b)刻蚀掩模板(c)电极掩模板图 1样品结构图及紫外曝光掩模版(m)1 2器件制备1 2 1紫外曝光制备掩模板采用 MA6 型紫外曝光系统，光源采用高压汞灯，曝光模式采用硬接触式，曝光时间为 12 s，曝光流程如图 2(a)(e)所示。首先在样品表面旋涂一层光刻胶，光刻胶采用 AZ1512 型正光刻胶，在光刻胶旋涂之前，旋涂一层 HDMS 增强光刻胶与基片的黏附性。光刻胶和 HDMS 的旋涂速度均为 3 000 r/min，旋涂时间为 30 s。旋涂完后在 85 的加热板上烘烤 90 s 后冷却。最终旋涂的光刻胶总厚度约为 1 2 m。然后进行紫外曝光，曝光用的掩模板如图 1(b)所示，尺寸为350 m 350 m。曝光光源采用高压汞灯，曝光模式采用硬接触式，曝光时间为 12 s。曝光结束后将样品放入丙酮中显影以去除被曝光部分的光刻胶，最终获得的曝光后的样品表面光学显微镜图像如图 2(f)所示。由图可见，曝光样品的轮廓清晰，边缘平整。1 2 2ICP 刻蚀影响 ICP 刻蚀系统的主要因素有 ICP 功率、F 功率、刻蚀腔内压强、刻蚀温度、刻蚀气体流量以及刻蚀时间等16-17。F 功率主要控制离子撞击样品的速率，F 功率越大，刻蚀速度越快;ICP 功率主要控制刻蚀离子的浓度，ICP 功率越大，单位时间撞击样品表面的离子数越多;同时刻蚀腔内压强、温度、气体流量等也对刻蚀速率及表面形貌有很大的影响。图 3 所示为ICP 刻蚀流程图。本实验中采用的刻蚀气体为甲烷(CH4)、氢气(H2)和氩气(Ar)，为了得到光滑的刻蚀表面，实验优化了 F 功率和气体流量，在 ICP 功率为500 W，甲烷、氢气和氩气的流量为 5，10 和 8 mL/min。刻蚀腔内压强为 0 13 Pa，刻蚀温度为 20 的条件下刻蚀的样品表面最为光滑，在此条件下的刻蚀速率为40 nm/min。02第 12 期咸冯林，等:ZnO 基 MIS 结构器件制备工艺与性能实验设计图 2紫外曝光制备刻蚀模板流程图与曝光后样品表面光学显微镜图像(a)显影后样品(b)ICP 刻蚀(c)刻蚀后样品图 3ICP 刻蚀流程样品的刻蚀时间为 20 min，刻蚀厚度约为 800nm。刻蚀完成后，将样品放入丙酮中超声清洗 10 min去除表面残余的光刻胶。最终刻蚀的样品表面和截面的扫描电子显微镜图像如图 4 所示。由图可见，刻蚀的 ZnO 表面较光滑，刻蚀边缘平整。(a)表面(b)截面图 4ICP 刻蚀后样品的扫描电子显微镜图像1 2 3电极制备电极的制备流程如图 5(a)(g)所示，主要包括紫外曝光制备掩模板、电子束蒸发沉积电极和显影去除多余的薄膜和光刻胶。紫外曝光过程和前文中的紫外曝光流程相似，其中用到的掩模版如图 1(c)所示。实验采用电子束蒸发法沉积电极，靶材为高纯的Au 靶材和 Ti 靶材，沉积初始真空度为 0 8 mPa，沉积过程在室温下进行，在沉积 Au 电极前，先沉积一层 Ti薄膜增加薄膜和 Au 电极之间黏附性，Ti 薄膜沉积厚度为20 nm。Au 薄膜沉积厚度为130 nm。Ti 和 Au 薄膜的沉积速率分别为 0 15 和 0 2 1010s1。待靶材冷却后取出样品。将沉积过电极的样品放入丙酮中浸泡 24 h，然后放入超声清洗机中超声振荡 1 2 s 后取出到显微镜下观察是否光刻胶已完全剥落。反复几次超声清洗直到光刻胶完全剥落，最后在去离子水中清洗后用氮气吹干。最终得到器件的表面光学显微镜图像如图 5(h)所示。1 3器件性能测试不同 MgO 沉积温度下制备的器件的伏安特性如图 6 所示，测试在室温和暗室下进行，电压测试范围为5 5 V，步长 0 05 V。由图可以看出，所有样品均表现出良好的非线性整流特性，300 下制备的器件的开启电压约为 3 2 V;400 和 500 下制备的样品开启电压均减小到 2 5 V。此外，在 400 下制备的器件在+2/2 V 的电流比最高，器件性能最好。这可能是由于在低温下(300)制备的 MgO 的结晶质量较差，而在高温下(500)生长会加剧 MgO 与 ZnO/ZnMgO 多量子阱界面的互扩散效应，不易形成陡峭界面，并且高温下 ZnO/ZnMgO 多量子阱结构也会遭到破坏。2实验教学设计与拓展金属-绝缘体-半导体(MIS)结构半导体器件制备与性能测试综合性实验适应于光电信息科学与工程专业、应用物理等专业学生在大三下学期开设的实践课程。实验教学过程分为材料合成、器件制备和性能测试三部分，每部分 3 5 人一组进行分组实验。在完成12第 41 卷图 5电极制备流程(a)300(b)400(c)500 图 6不同 MgO 沉积温度下制备的器件的伏安特性曲线本实验的基础训练后，还可以对材料合成、器件制备的部分进行拓展，如研究不同沉积条件、温度对材料性能的影