退火處理對MgZn0薄膜性能的影響

吳昀卓 高曉紅 秦大雙 曾一明 張耕嚴 劉建文 岳廷峰

摘要：采用射頻磁控濺射的方法在室溫下制備了MgZn0薄膜，并將制備的薄膜在200℃、N2下進行退火處理。采用XRD表征薄膜的結(jié)晶情況，用AFM表征薄膜材料表明形貌，用EDS表征薄膜材料元素成分與含量，用紫外可見分光光度計測試薄膜透過率。結(jié)果表明，退火后薄膜結(jié)晶程度提高，晶粒尺寸變大，均方根粗糙度（RMS）降低，Mg元素原子百分比有所增加，可見光區(qū)域平均透過率為96%。

關(guān)鍵詞：MgZn0薄膜晶體管;退火處理;射頻磁控濺射

中圖分類號：TN321

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）05-0250-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 概述

近年來，基于Zn0的薄膜晶體管（TFT）由于其優(yōu)異的性能（例如，與常規(guī)的基于硅的TFT相比高的電性能和對可見光的高光學透明性）而受到越來越多的關(guān)注。并在一系列應(yīng)用中引起了極大的興趣，例如柔性顯示，生物傳感器，太陽能電池和薄膜晶體管器件[1]。然而，這些特性會受到溝道層中氧空位和鋅間隙等本征缺陷的強烈影響[2，3]。許多開創(chuàng)性研究致力于通過摻雜來進一步增強Zn0基薄膜晶體管的性能，Mg作為氧空位抑制劑是制備ZnO（MZO）的潛在候選材料之一[4]。第一，由于相似的離子半徑（Mg2+： 0.57 A與2n2+： 0.60 A），Mg2+可以代替2n2+而不會引起明顯的品格畸變。第二，Mg0的結(jié)合能比Zn0高，氧空位的形成能部分取決于Mg-O/Zn-0的結(jié)合能。第三，三元合金Mg cZnl-t0可以改善Zn0基薄膜晶體管的熱和電性能[5]。

利用射頻磁控濺射法制備的薄膜致密性好且與基底粘附緊密，但制備薄膜的過程，薄膜可能存在著殘存的應(yīng)力和缺陷，所以人們常常對制備好的樣品進行退火處理[6'7]。這是因為退火處理可以有效消除殘存應(yīng)力，提高薄膜結(jié)晶度，改善薄膜的質(zhì)量。本文采用射頻磁控共濺射法在二氧化硅基底上制備了MgZn0薄膜晶體管，將制得的樣品在200C、M下退火處理5min，利用X射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、能譜儀（EDS）、紫外分光光度計來研究退火對MgZn0薄膜性能的影響。

2 實驗

制備過程中采用美國kurt.lesker的PVD75型磁控濺射設(shè)備在p-Si襯底上沉積MgZn0薄膜，p-Si襯底上有l(wèi)OOnm的Si0，作為柵絕緣層。首先，將清洗好的2片Si襯底放人腔室中，使用雙靶磁控共濺射，兩個靶材分別為Zn0靶和Mg0靶，其純度均為99.99%。先將腔室的真空度抽至5.Oxl0-5Torr.再通入純度為99.999%的氬氣進行起輝，起輝壓強20mTori，起輝功率50W。將Ar：0，設(shè)置為95：5，沉積時Zn0靶濺射功率為100W，Mg0靶濺射功率為10W，濺射壓強8mTorr，薄膜厚度40nm，生長溫度為室溫。取出后將一片樣品在200CC、N，下退火5min，另一片樣本不做退火處理作為對比。使用Bruker D 8 DISCOVER型號X射線衍射儀對MgZn0薄膜的結(jié)晶特性進行測試;采用AFM對薄膜的表面形貌進行表征;使用JE-OL JSM-7610F型掃描電子顯微鏡對薄膜進行了EDS測試;采用日本島津公司的UV-2600型號紫外分光光度計，測定了薄膜的透射率。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD分析

圖l給出了MgZn0薄膜在二氧化硅襯底上原位生長和退火處理的XRD圖譜。兩個XRD圖譜中無Mg0或其他Mg化合物的特征峰，表明薄膜中Mg元素已經(jīng)很好地摻雜進入Zn0薄膜并取代Zn原子嘲。從圖中可以看出，所有的薄膜樣品的XRD圖譜中均有一個突出的衍射峰，在20 =34.40左右，對應(yīng)Zn0的（002）晶面，由此表明所制備的MgZn0薄膜均呈現(xiàn)c軸（002）晶面擇優(yōu)取向生長[9]。退火之后的衍射峰強度要高于未退火時，原因在于未退火時，由于MgZn0晶格中存在較大的間隙空間，薄膜中存在大量的間隙原子和缺陷，而間隙原子和缺陷的存在，使晶格原子并非處于理想狀態(tài)排布，薄膜的c軸取向還不明顯，衍射峰強度比較低。退火時，由于薄膜內(nèi)原子已經(jīng)獲得了足夠大的能量，間隙原子獲得足夠的能量遷移到品格位置，缺陷大量被復合，晶格中的各種缺陷大量減少，晶格原子排布趨于理想，薄膜的c軸擇優(yōu)取向性更加明顯，衍射峰強度增加[10]。根據(jù)Scherrer公式[11]計算MgZn0薄膜的晶粒粒徑

D= KA/（Bcos0）

式中：D為晶粒粒徑;K=0.89;λ=0.15406nm，B為半寬高;0為衍射角。求得退火前晶粒粒徑17.503nm，退火后晶粒粒徑 25.112nm。

3.2 AFM分析

如圖2所示，為了更好地理解MgZn0薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，拍攝了描繪薄膜表面形態(tài)的AFM圖像，未退火和2000C處理的MgZn0薄膜的均方根（RMS）粗糙度分別為2.678nm和1.513nm。說明退火有利于消除薄膜近表面的缺陷，獲得結(jié)晶良好的薄膜材料，光滑的表面顯示出良好的界面特性，并可以有效地抑制界面電荷陷阱的形成并減少載流子散射[12]，從而實現(xiàn)高的場效應(yīng)遷移率進而提高TFT的性能。

3.3 EDS分析

圖3為退火前后MgZn0薄膜的EDS圖。圖中分別顯示了Mg.Zn和0元素，其中最高的是鋅元素。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：薄膜經(jīng)過退火處理后，Zn元素的原子百分比由退火前的37.49at%變?yōu)?6.02at%;0元素的原子百分比由退火前的60.2lat%變?yōu)?9.3lat%;Mg元素的原子百分比由退火前的2.23at%變?yōu)?.67at%。EDS測得退火前薄膜表面Mg元素所占比例較少，經(jīng)過退火處理后Mg元素更加均勻，因此EDS測得的Mg元素比例相對提高。

3.4光學特性分析

圖4表示MgZn0薄膜在200nm - 800nm波長范圍內(nèi)的透射光譜。薄膜退火前后在可見光區(qū)域內(nèi)的平均投射率幾乎沒有變化，平均透射率約為96%，而且在波長380nm處有較為明顯的吸收邊。退火后薄膜光學吸收邊藍移，表明退火后薄膜帶隙寬度變大，根據(jù)對應(yīng)Tauc公式[13]：

（ahv）=B（hv - Eg）1/2

可計算出其帶隙寬度，圖5為退火前后MgZn0薄膜的帶隙圖。退火前帶隙3.24eV，退火后帶隙3.32eV。相比退火前，退火后的薄膜帶隙寬度有所增大，我們認為這是由于退火使樣品中的Mg元素獲得足夠的能量遷移至Zn0膜層，并取代了Zn原子，同時退火也使其在薄膜內(nèi)部的分布更加均勻，而Mg0的帶隙寬度約為7.8eV，大于Zn0的帶隙寬度3.24eV，我們認為這是退火后薄膜帶隙寬度增大的主要原因[14]。

4 結(jié)論

本文研究了退火對MgZn0薄膜晶體管薄膜性能的影響。結(jié)果表明，退火之后薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變好，晶格缺陷減少且晶粒尺寸變大，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勻，可見光區(qū)域平均透過率96%，具有陡峭的吸收邊。對薄膜進行退火處理，可以降低MgZn0薄膜的缺陷，提高其在應(yīng)用中的電學性能。

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收稿日期：2019-11-02

基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201910191059）

作者簡介：吳昀卓（1999-），男，吉林省白山市靖宇縣人，大學本科;高曉紅，副教授，碩士，博士在讀，主要斫究方向為電子信息科學;秦大雙，男，大學本科;曾一明，男，大學本科;張耕嚴，男，大學本科;劉建文，男，學士，碩士在讀;岳廷峰，男，學士，碩士在讀。