基于ZnO薄膜的低阈值电压压敏电阻

论文摘要

近年来,随着电子信息技术、通讯技术、超大规模集成电路等方面的发展,芯片的尺寸越来越小,要求的工作电压也越来越低,这就对保护电路的压敏电阻器也提出了体积更小、压敏电压更低的要求。压敏电阻器是一种电导率值会随着外加电压的增加而突然增大的元件,目前使用较为广泛的是氧化锌（ZnO）压敏电阻器。由于ZnO压敏电阻器具有造价低廉、非欧姆特性优良、响应时间快、受温度影响小等优点,因而作为过压保护的压敏电阻器,已经在上世纪七十年代就应用在了电器设备的高压保护方面。然而在在低压压敏电阻器工艺上,由于常规的ZnO压敏陶瓷工艺在厚度的减小方面受到了较大的限制,因此采用薄膜技术制备ZnO薄膜压敏电阻引起了研究人员的重视。薄膜制备工艺厚度控制容易,在制备小功率的低压压敏电阻方面具有很好的应用前景。本论文系统地总结了ZnO薄膜的性质、应用、压敏效应的原理、压敏电阻的研究状况以及ZnO薄膜的制备方法。在此基础上,采用直流磁控溅射的制备方法制备了Cu/ZnO/n-Si结构的压敏器件。通过调节制备ZnO薄膜过程中的氧气流量、溅射时间、退火温度、退火时间等工艺参数以及改变衬底等工艺条件,对ZnO薄膜的厚度、结晶性能及Ⅰ-Ⅴ特性等进行分析研究。在此基础上,我们还尝试利用后退火的方法制备ZnO薄膜及Cu/ZnO/n-Si结构的压敏器件,并分析了其晶体结构以及压敏特性。研究结果表明：（1）利用直流磁控溅射的方法制备的ZnO薄膜结晶性能良好,即使膜厚很薄,ZnO薄膜也具有很好的c轴择优取向；（2）ZnO薄膜的压敏电压与膜厚有着简单的关系,随着ZnO薄膜厚度的减小而线性减小,但当薄膜的厚度小于一定的数值时,随着膜厚的减小,压敏电压的降低趋势将会变缓；（3）ZnO薄膜的压敏电压随着氧流量的增大而减小,结晶的状态随着氧流量的增大而逐渐变差；（4）退火温度的改变以及退火时间的长短对ZnO薄膜的压敏电压的影响并不大,但是退火后,ZnO薄膜的结晶性能得到了显著地提高；（5）不同的衬底由于功函数各不相同,而对ZnO薄膜的压敏电压有所影响,衬底为P型硅片时的阈值电压比衬底为N型硅片时的阈值电压要更大一些；（6）对于经过后退火处理制备Cu/ZnO/n-Si结构的压敏器件,退火温度为500℃时最为理想,但是总体上看,其压敏特性不如原位氧化所制备的Cu/ZnO/n-Si结构的压敏器件好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO薄膜的基本性质
• 1.2.1 ZnO的基本特性
• 1.2.2 ZnO的晶体结构
• 1.2.3 ZnO的光学特性
• 1.2.4 ZnO的电学特性
• 1.2.5 ZnO的其他特性
• 1.3 ZnO薄膜的发展应用
• 1.3.1 压敏器件
• 1.3.2 光电器件
• 1.3.3 气敏器件
• 1.3.4 其他应用
• 1.4 压敏效应原理及其表征
• 1.4.1 二极管的I-V特性
• 1.4.2 ZnO薄膜的I-V特性
• 1.5 ZnO压敏电阻的研究现状及应用
• 1.5.1 ZnO压敏电阻的研究现状
• 1.5.2 ZnO压敏电阻的应用
• 1.6 本论文的研究意义、目的和主要内容
• 1.6.1 本文的研究意义及目的
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 ZnO薄膜的制备方法及其表征技术
• 2.1 直流反应磁控溅射
• 2.1.1 磁控溅射概述
• 2.1.2 直流反应磁控溅射的原理
• 2.1.3 直流反应磁控溅射系统
• 2.1.4 磁控溅射的特点
• 2.2 真空蒸发镀膜法
• 2.3 薄膜性能的表征
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）测试
• 2.3.2 I-V特性曲线测试
• 2.4.3 透射光谱的测试
• 2.4.4 其他的薄膜性能表征方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 ZnO薄膜压敏电阻的制备
• 3.1 薄膜制备准备工作
• 3.2 单层ZnO薄膜的制备
• 3.3 多层ZnO薄膜的制备
• 3.4 铜电极蒸镀过程
• 3.5 ZnO薄膜沉积速率的计算
• 3.5.1 ZnO薄膜的厚度
• 3.5.2 ZnO薄膜的沉积速率
• 3.6 本章小结
• 第4章 ZnO薄膜压敏电阻性能研究
• 4.1 ZnO薄膜压敏电阻压敏特性初探
• 4.2 薄膜厚度对ZnO薄膜性能的影响
• 4.2.1 膜厚对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 4.2.2 膜厚对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 4.3 氧流量对ZnO薄膜性能的影响
• 4.3.1 氧流量对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 4.3.2 氧流量对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 4.4 退火温度对ZnO薄膜性能的影响
• 4.4.1 退火温度对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 4.4.2 退火温度对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 4.5 退火时间对ZnO薄膜性能的影响
• 4.5.1 退火时间对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 4.5.2 退火时间对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 4.6 不同衬底对ZnO薄膜性能的影响
• 4.6.1 不同衬底对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 4.6.2 不同衬底对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 后退火方法制备ZnO薄膜的性能研究
• 5.1 利用后退火制备ZnO薄膜
• 5.2 后退火制备ZnO薄膜性能的研究
• 5.2.1 后退火温度对ZnO薄膜晶体结构的影响
• 5.2.2 后退火温度对ZnO薄膜压敏特性的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录