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氧化物半导体薄膜晶体管(thin film transistor,简称TFT)载流子迁移率高(～1-100 cm2V-1s-1),可见光区透明性好,沉积温度低、因此可以在柔性衬底上制备,可大面积均匀成膜(如溅射、溶液法等),工艺成本低,在平板显示器、可穿戴电子、物联网等方面有着巨大的应用价值。相对于n型氧化物TFT已经商业化,p型氧化物TFT的进展却非常缓慢,通过栅压调控既可以p型导电又可以n型导电的双极性晶体管则更为罕见。p型氧化物及双极性氧化物的匮乏导致基于氧化物半导体的互补CMOS电路的发展受到严重限制。高性能p型及双极性氧化物一直是氧化物半导体领域的一大挑战。氧化物p型导电困难有两个重要原因,一是大部分氧化物半导体的价带顶通常是由各向异性的局域化的O 2p轨道组成,导致空穴迁移率较低;二是通常氧化物半导体中的失主氧空位缺陷非常普遍,而受主金属原子缺陷形成能高、数量少,因此大部分氧化物半导体电子浓度较高而空穴浓度低。SnO具有比较特殊的能带结构,它的价带顶是由Sn5s轨道(占主导地位)和O2p轨道杂化而成,空间各向同性、离域性强的5s轨道使SnO可以实现较高的空穴迁移率;而且,SnO中Sn空位受主的形成能低,因而可以形成足够高的空穴浓度。目前,SnO被认为是最有潜力的p型氧化物半导体之一。近年来,SnO TFT被发现还可以在同一沟道中通过栅压调控实现n型和p型的双极性导电,这对一些性能要求不太高的低成本CMOS电路非常有利。据我们所知,SnO也是目前唯一实现双极性导电的氧化物半导体。了解SnO的双极性导电机理是研制高性能双极性晶体管的基础,但目前关于SnO双极性导电的机理的研究还十分有限,并存在一定的争议。针对以上问题与挑战,本论文工作基于氧化物半导体SnO,通过工艺优化研制了高性能p型以及双极性TFTs,并进一步基于双极性SnO TFT研制了类CMOS反相器,分析了双极性SnO晶体管的电路应用价值。此外,本论文通过对p型与双极性SnO TFTs器件的电学性能以及SnO薄膜紫外-可见-近红外光学透过特性、X射线光电子能谱、XRD、原子力显微镜表面形貌分析,分析探讨了 SnO的双极性导电机理。本论文的主要研究内容如下:(1)针对双极性SnO TFT存在迁移率低、空穴电子传输不平衡等问题,对SnO TFTs进行了退火时间和温度(退火氛围为空气)的优化,研究表明退火温度在225℃,退火时间为2h时,双极性器件综合性能参数达到最佳状态。在此优化条件下的双极性SnO TFT最优参数p型导电的空穴迁移率μμh,SS和开关比分别为0.7 cm2V-1s-1,3.6Vdec-1和1.5X 103,n型导电的电子迁移率μe,SS和开关比为0.75 cm2V.1s-1,3.1 V dec-1和1.5 X 103。同时制备的用于参比的p型SnO TFT的μμh可以达到1.16 cm2V-1S-1,SS和开关比分别为6.14 V dec-1和2.5X 104。(2)基于优化的双极性SnO TFTs器件的工艺条件,研究了由2个双极性SnO TFTs构建的CMOS反相器及其电学性能,结果表明类CMOS反相器电压增益可达～30。(3)系统研究了器件覆盖A12O3钝化层与空气退火工艺对器件导电性能的影响,器件工艺包括:工艺A.先退火SnO TFTs器件再加0-30 nm钝化层,工艺B.先加0-30nm钝化层再退火,工艺C.先退火再加30 nm钝化层再退火(2次退火)。研究表明只有A1203钝化层超过一定厚度(4 nm)时,先覆盖钝化层再退火的SnO TFTs才能出现双极性导电;其他器件工艺包括:A工艺、B工艺钝化层较薄(≤2 nm)和C工艺都表现为p型导。(4)通过原子力显微镜(AFM)研究了不同工艺对SnO薄膜(20nm,与TFT沟道厚度相同)表面粗糙度的影响。结果显示SnO薄膜在不加钝化层或者覆盖较薄(2 nm)钝化层之后退火会导致表面粗糙度较大(RMS:3.26～8.60 nm),而覆盖足够厚(4～30 nm)的钝化层后再退火的样品具备较低的表面粗糙度(RMS:0.74～1.20nm)。其原因是裸露的SnO薄膜在空气中退火会与水氧发生化学作用,改变了薄膜组分配比、密度和形态,使薄膜粗糙度较大;覆盖2 nm钝化层再退火的样品表面粗糙度最大,说明2 nm的A12O3很可能并未形成连续薄膜,覆盖层为岛状,裸露与覆盖的SnO空气退火后,表现出更大的粗糙度。(5)通过紫外-可见-近红外透过光谱研究了不同工艺制备的SnO薄膜的光学透过性及带隙。结果表明不加钝化层或者覆盖较薄(2nm)钝化层后退火的SnO薄膜透过率高,接近100%,光学带隙较大,为2.75～2.81 eV;而覆盖较厚(4～30 nm)钝化层后再退火的SnO薄膜,透过率较低,约为60-75%,光学带隙较小,为2.62～2.65 eV。其原因是溅射制备的SnO薄膜中含有部分金属Sn组分,无钝化层或钝化层较薄的SnO薄膜,无法隔绝空气,在退火过程中金属Sn组分氧化较为充分;而钝化层较厚的SnO薄膜由于可以很好的隔绝空气中水氧的影响,退火时抑制了氧化反应,薄膜中的金属Sn组分未被氧化,因而透过率较低,同时,薄膜中散在分布的Sn对SnO起到掺杂作用(结合XRD、XPS分析),增大了带尾态密度,从而导致光学带隙变窄。(6)通过XPS研究了 20 nm厚的双极性与p型SnO薄膜组分及价带电子态结构。结果显示.:A,双极性SnO薄膜中SnO组分占主导,含有部分金属Sn,不含SnO2;而p型SnO薄膜中SnO组分占主导,含有部分Sn02,不含金属Sn。p型SnO中Sn02的存在可导致其具有较高的带隙态密度,这与p型SnO TFTs的SS较高一致,也是栅压调控难以实现双极性传输的原因;B,高分辨XPS价带谱表明含有金属Sn组分的双极性SnO费米能级附近价带顶的态密度显著高于不含金属Sn的p型SnO,这导致双极性SnO具有较p型SnO更小的禁带宽度,与(5)结果一致。结合SnO本身的较窄的间接禁带宽度(0.7 eV),含有Sn组分的SnO具有更窄的禁带宽度是使其实现双极性导电的主要原因之一。(7)通过X射线衍射(XRD)研究了不同工艺制备的1 μm厚的SnO薄膜的组分与结晶性。结果表明双极性和p型薄膜中的SnO均为多晶态,p型SnO薄膜中存在很强的结晶相金属Sn(与20nmp型SnO的XPS结果不含Sn不一致,是因为退火时空气无法渗入未覆盖钝化层的SnO薄膜整个1μm的厚度,较深处的金属Sn无法被充分氧化);而双极性薄膜中的Sn结晶峰很弱,说明该工艺(覆盖钝化层退火)薄膜中Sn的结晶性不强,倾向于以分散团簇(掺杂)形式存在。综合以上分析表明:覆盖较厚Al2O3钝化层(≥4 nm)再退火工艺可稳定制备高性能双极性SnO薄膜,未覆盖或覆盖较薄钝化层(0-2nm)再退火或先退火再覆盖钝化层工艺制备的SnO薄膜均为p型。上述工艺制备的p型SnO的组分为占主导的SnO及少量SnO2,带隙态密度较高,价带顶态密度较低,带隙较宽,相应的TFT器件SS较高,栅压调控难以改变导电极性。而上述工艺制备的双极性SnO,因为退火中表面覆盖层可以抑制组分氧化,薄膜组分为占主导的SnO及少量散在分布金属Sn,金属Sn的掺杂作用导致价带顶态密度显著升高,带隙减小,不存在SnO2相因而带隙态密度较低,再结合SnO本身较小的间接禁带宽度(0.7 eV),因此相应的TFT器件可在栅压调控下出现明显的双极性导电。