[发明专利]一种高击穿电压ZnO:X薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高击穿电压ZnO:X薄膜及其制备方法和应用，属于半导体集成器件及压敏器件技术领域。一种高击穿电压ZnO:X薄膜的制备方法，所述方法采用射频等离子体活化源辅助共沉积方法于基底上沉积ZnO:X薄膜，具体为：将高纯O₂通入射频等离子体活化源，氧气流量为1.5～2.0SCCM，射频等离子体活化源的工作功率为250～450W；将Zn金属和X金属作为源材料进行共沉积，基底温度为室温～800℃，真空度为(2～3.5)×10^‑3Pa，沉积时间为10～120min；利用上述方法制得的薄膜在可见光范围内的透光率为80～100％，电阻率在10⁶～10⁸Ω·m范围内，击穿电压在7000～8000V/mm范围内。

技术领域

本发明涉及一种高击穿电压ZnO:X薄膜及其制备方法和应用，具体涉及一种具有高电阻率和击穿电压的高击穿电压ZnO:X薄膜及其制备方法和应用，属于半导体集成器件及压敏器件技术领域。

背景技术

ZnO是一种直接宽带隙半导体(～3.37eV)、激子自由能较大(～60meV)，具有良好的化学稳定性和热稳定性、原材料丰富且无毒无害，因此在压电、光电、热电和稀磁半导体领域具有较大的应用潜力。ZnO适于制备光-电-磁多功能器件以及具有强大功能的多种材料集成器件。具有高击穿电压的绝缘材料在这些器件中均有着不可缺少的应用，如用于ZnO压敏电阻的材料具有较高的击穿电压(1610V/mm)。在纳米机电系统和新型互补金属氧化物半导体器件中，很容易发生静电放电现象使器件击穿。因此，一般通过制备具有高击穿电压的绝缘材料来提高器件可靠性。

此外，绝缘材料可作为绝缘栅，在新型光电器件的透明场效应晶体管中具有重要作用。绝缘材料在众多的器件中均起到电绝缘的作用。根据电阻基器件的机制，可以在透明的电阻存储器中构造金属-绝缘层-金属结构，但材料绝缘性的问题尚未得到解决。在集成器件中，利用绝缘材料制备薄层以起到阻隔作用，而绝缘层的存在通常会引入界面结构。许多的透明绝缘体如Al₂O₃、SiO₂、SnO₂等，会与ZnO基器件产生较大的晶格错配从而引入缺陷，这些界面处的缺陷会引起剧烈的电子重建现象。此外，在界面处也会形成许多点缺陷，如氧空位、锌间隙、以及其他非可控性的氢杂质。这些缺陷会形成复合中心俘获载流子，成为ZnO各种本征缺陷的来源，这些空位、间隙等缺陷的浓度导致不同的载流子浓度和迁移率，从而激发各种与缺陷有关的光发射，导致器件的质量和稳定性变差。

综上所述，研制出一种电阻率大、击穿电压高的ZnO基透明薄膜，可以解决集成器件所面临的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决半导体集成器件及压敏器件绝缘阻挡层匹配性的问题，提供一种高电阻率和击穿电压的透明ZnO:X薄膜及其制备方法。本发明所制备ZnO:X薄膜的电阻率可达10⁶Ω·m量级，所制备薄膜的膜厚约为10～500nm，其击穿电压为8000V/mm，在可见光范围内的透光率大于90％，适用于ZnO基集成器件的绝缘阻挡层。

一种高击穿电压ZnO:X薄膜的制备方法，所述方法为：向射频等离子体活化源通入氧气，使射频等离子体活化源产生氧原子，使氧原子与Zn原子结合形成ZnO:X薄膜。

本发明所述“射频等离子体活化源”为气体活化装置，可商业购得。所述射频等离子体活化源可使通入其内的高纯O₂形成O原子。经过射频等离子体活化源所形成的O原子具有高的反应活性。

本发明利用上述射频等离子体活化源所产生的活性O原子与Zn原子和/或其他掺杂原子形成ZnO基薄膜。

进一步地，所述ZnO基薄膜为ZnO:X薄膜，所述掺杂原子X为Al、Sb、Ag、Cu中的1种或2种，且当X为2种元素的组合时，各组成元素的原子数相同。

更进一步地，ZnO:X中X原子占Zn、O和X总原子数的5～20％。