论文总字数：18685字

目 录

1绪论 1

1.1 ZnO的发展 1

1.2 ZnO和ZnO场效应晶体管的研究现状 1

1.2.1 ZnO的研究现状 1

1.2.2 ZnO场效应晶体管的研究现状 2

1.3本文要研究的内容 2

2 ZnO材料的基本性质及应用 3

2.1 ZnO的结构和性能 3

2.2 ZnO的晶体结构 4

2.3 ZnO的电子结构 5

2.4 ZnO的能带结构 5

2.4 ZnO材料的应用 6

2 场效应晶体管 6

2.1场效应晶体管意义 6

2.2场效应晶体管的分类 7

2.3场效应晶体管的特性 7

2.4场效应晶体管的主要参数 7

2.5场效应晶体管的应用 8

3 MOS场效应晶体管 8

3.1 MOS场效应晶体管结构 8

3.2 MOS场效应晶体管的工作原理 9

3.3 MOS管的特性 9

3.3.1 MOS管的转移、输出特性 9

3.3.2 MOS管的导通特性 9

4 ZnO薄膜场效应晶体管 10

4.1 ZnO薄膜 10

4.2 ZnO薄膜晶体管的优势 11

4.3 ZnO薄膜晶体管的基本结构 11

4.4 ZnO薄膜的制备方法 12

4.4.1溅射法 12

4.4.2 脉冲激光沉积用(PLD/PED) 12

4.4.3 分子束外延 13

4.4.4 电子束蒸发沉积 13

4.5薄膜晶体管的电学特性 13

5 用COMSOL对氧化锌场效应晶体管的仿真 14

5.1 氧化锌场效应晶体管的直流特性计算 14

5.2 COMSOL仿真结果 15

6.总结与展望： 18

参考文献： 18

致谢 19

1绪论

1.1 ZnO的发展

最近的几十年中，半导体物理学和半导体材料在理论和应用的强有力结合的推动下，取得了惊人的进展。它不仅丰富了基础理论的内容，而且还有效地推动了新型材料体系以及先进的制备技术的不断更新。直接的体现了新型材料作为现代社会文明的基础对推动技术发展所起的动力作用。

微电子技术的发展特别是显示技术和太阳能光电转换技术的巨大进步，使得无论是从基础理论的研究还是实际的应用与开发方面，都在很大程度上发展，这也促进了透明ZnO材料薄膜体系的蓬勃发展，因为材料具有较大的禁带宽度，在可见光区拥有高透射率并且只吸收紫外光，不吸收可见光，更重要的是此种薄膜体系的电阻率很低等各种特点，使氧化锌拥有了很多性质，光电性质和压电和铁电、气敏性、稀磁性和催化性等，在工艺制备上氧化锌具有优异的抗氧化能力、耐腐蚀性、耐高温性、优异的机电耦合等优点，在应用方面也有几个特别的性质，比如无污染性、荧光性、非迁移性、压电性、紫外光吸收和散射性等。

同时Zno纳米材由于其特殊的尺寸和结构,以及它在力、热、电、光、声、磁方面的优势,该材料已成为纳米材料中的一个热门问题。由于阵列具有晶体自由边界、晶体缺陷少、表面积大的特点,通常被用作低维材料、微器件和低维复合材料的一个组成部分。它在功能材料领域有着广阔的应用前景。

1.2 ZnO和ZnO场效应晶体管的研究现状

1.2.1 ZnO的研究现状

在1935中,首先Bune研究ZnO的晶格结构,并记录ZnO的晶格常数^[1]。1966,用Damen研究了ZnO拉曼光谱的振动起源,从而认识到了ZnO^[2],但此时它还没有作为半导体材料出现。直到1965,Mead才开始研究ZnO和Au半导体的接触特性^[3],并且载流子浓度的可控性在一定数量级内是半导体最重要的特性优势之一。1974,美波制作了第一个MIS结构^[4],而在1975年Tsurkan用ZnSe做了p型材料的ZnO pn结^[5] ,1978用A/Au双层结构与Zn0作了欧姆接触^[6]。这使得ZnO的特性逐渐被大众所了解,从此ZnO作为半导体材料,出现在大家视野当中,有了更好的利用,对ZnO也有了全方面的认识。

在二十一世纪,2000年, p型导电Mn掺杂ZnO在室温下表现出铁磁性是迪特尔等用齐纳模型得到了证明。大多数过渡金属掺杂的ZnO可以通过Suluter等显示室温铁磁性是2005年基于密度泛函理论的第一原理计算证实的。

1.2.2 ZnO场效应晶体管的研究现状

结型场效应晶体管(FET)的基本定理是Julius Edger Lilienfeld首次在1925提出的。这是固态放大器研究的第一步。到1933,绝缘栅结构Lilienfeld被引入场效应晶体管(后来称为MISFET),但是所使用的器件只有1952。制造(结型场效应晶体管,结型场效应管,JFET)。.

20世纪60年代,Dawan Kahng(1960)发明了金属氧化物半导体效应晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管,MOSFET)。在1962,韦默由多晶CAS薄膜TFT制成。随后,由于半导体已经发展成为一种薄膜,许多材料已经被研究并用在一批CdSe、InSb、Ge作为半导体材料制成的TFT器件的当中,因此半导体材料作为薄膜的主要原因是低费用,易于置备,为了满足大型阵列显示器的实际需求,此后TFT的研究已经成为一个热门话题。1973,布洛迪等人。最后在2006年9月用136光子技术首次开发了有源矩阵液晶显示器(AMLCD),并使用CdSe TFT作为开关单元。随着多晶硅掺杂工艺的进一步研究,后来许多实验室用a-Si:H作为有源层进行了AMLCD电子、矛和GHEITS,以制备TFT器件。

20世纪80年代,硅基薄膜晶体管在AMLCD具有十分重要的地位。这些产品已经占据了大部分市场份额。1986,有机薄膜晶体管(OTFT)的制备是Tsumura等人首次提出的,而OTFT技术则是从那时开始发展起来的。

90年代有机半导体材料作为有源层有了发展。OTFT由于其在制造工艺和成本上的重要优势,被认为是未来液晶显示器和OLED驱动中的优势。近年来,OTFT的研究取得了突破性进展。1996,菲利普制造了15微克。代码发生器(PCG)是由多层膜堆叠方法制成的,即使当薄膜的形状和结构被扭曲时,它仍能正常工作。1998种非晶态金属氧化物锆酸钡作为五种有机介质薄膜晶体管的栅极,具有新型的高介电常数边缘层,器件的驱动电压降低4V,器件的迁移率达到0.38厘米2V^-1的贝尔实验室的卡茨。S11999和他的研究小组在室温下在室温下制备了空气中的能量。稳定的噻吩膜是稳定的,然后器件的迁移率为0.1cm2V^-1S^-1,双极有机薄膜晶体管与贝尔实验室中的五苯单晶集成。器件对电子和空穴的迁移率已达到2.7cm2V^-1S^-1和1.7 cm2V^-1S^-1,是电路实际应用中最重要的一步。

近年来,由于对有透明性质金属以ZnO和ZIO等半导体材料作为有源层制作薄膜晶体管的氧化物半导体薄膜的深入研究,引起了越来越多的研究兴趣,器件的制造工艺非常广泛。

在2003年,Hoffmantisi等人成功制备了具有高迁移率、并且全透明的氧化物薄膜晶体管,而这种器件就以氧化锌做为有源层,这在器件科学领域引起了广泛的关注。

1.3本文要研究的内容

本文的主要研究内容为采用COMSOL软件，研究ZnO场效应晶体管电学分析以及不同结构的影响，了解ZnO的电学特性以及场效应晶体管的特性。重点是计算氧化锌MOSFET 的直流特征。首先计算了电流对栅压的关系，用来确定器件的电压阈值。然后计算了各个栅极电压下的漏极电流和漏极电压的特征。通过这些结果图，可以分析出器件的线性区和饱和区，然后来分析氧化锌FET的电学特性在结构中的不同影响。

2 ZnO材料的基本性质及应用

2.1 ZnO的结构和性能

ZnO也称锌白，是无毒、无臭、无味、无砂性的Ⅱ-Ⅳ族半导体氧化物材料。是一种颜色为黄色或者白色的晶体，实物形状一般为粉末。

在常温的条件下，ZnO热力学稳定结构属于六方纤锌矿结构（如图1所示），分子量是81.39，密度为5.68 g/cm³，熔点为2248 K，空间点群是P6_3mc。晶胞中包含有四个原子，分别是等价的两个O原子和等价的两个Zn原子，每一个锌原子与相邻的四个氧原子按四面体排布。四面体配位为4。研究者已经观测ZnO材料在室温下的自发辐射和受激辐射^[7] ，氧化锌自然条件下成呈现n型导电性质。

图1 纤锌矿结构

图2氧化锌晶体点阵示意图，红色大球为氧原子，灰色小球为锌原子

2.2 ZnO的晶体结构

氧化锌有四种结构，六方纤锌矿结构、立方闪锌矿结构、立方氯化钠结构、立方氯化铯结构。岩盐NaCl八面体结构结构比较罕见的 ， 通常情况在高压下才能得到^[8，9]。

ZnO的价带（价电子能级分离后形成的能带）由O^-2的满态2p轨道或成键的 sp3轨道组成，导带（未排满电子的价带）由Zn ²的空态4s轨道或反键sp3杂化轨道组成，Zn² 半径是0.074nm，O^2-离子半径是0.140nm，闪锌矿晶格的主要解理面是{110}面，而纤锌矿晶格的主要

解理面为{0001}面^[10] 纤锌矿四面体成键是一种典型的sp³共价轨道杂化形式，但是这种材料也有着明显的离子性特征，其Philips离子性因子值为0.616^[11]

表一 氧化锌的具体值

2.3 ZnO的电子结构

锌原子的电子壳层结构为1s²2s²2p⁶33s²3p⁶3d¹⁰4s²,氧原子的电子壳层结构是1s²2s²2p⁴,氧化锌的价态电子为O-2S²P⁴,Zn-3d¹⁰4S³, 折射率一般为2.008至2.009，氧化锌在室温的条件下，激子束缚能为60meV，热离化能为26meV，因为激子比热离化能高意味着激子在室温或更高温度下也不会发生被电离，会拥有更好的发光效率。莫氏硬度为4.5，抗辐射能力为11.2×1017e.cm2(ZMev)，导热率（Wkm.k）为1.16±0.08（Zn面）、1.10±0.09（O面），空穴霍尔迁移率在（300K）室温下为5-50cm²/Vs，原子间距约为0.195nm和1.98nm左右。

锌间隙和氧空位的影响下本征ZnO呈现n型导电。未经掺杂的 ZnO的载流子浓度可以达到 1017-1018cm³。可以根据半导体器件的不同要求，通过改变工艺条件或者掺杂其它元素来提高或降低载流子浓度。

2.4 ZnO的能带结构

Zn0晶体存在缺陷态，在其内部存在着存在的点缺陷主要包括 Zn 间隙（Zni）、O 空位（VO）、Zn空位（VZn）及O间隙（Oi）。如图3所示。在掺杂中受主掺杂有一定的困难，施主掺杂就相对比较容易，对于半导体这种材料而言，材料本身性能是由杂质和缺陷所影响的。

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