氧化锌（ZnO）基多晶纳米结构微观电学性质表征及导电机理研究

The polycrystalline ZnO nanostructures have get great value in nano-optoelectronic devices and nano-electronic devices, and currently focused.on three types of popular applications of transparent thin-film transistors, memory, and the transparent conductive film. In the applications of these devices, grain state and grain boundary behavior of polycrystalline ZnO material seriously affect the electrical properties of ZnO materials, and for the understanding of the electrical properties of ZnO polycrystalline nano material is only phenomenological model studies or qualitative discussion traditional characterization methods are still unable to meet the miniaturization requirements of modern electronic devices, also unable to meet the microscopic explore on the sub-micron or nanoscale ZnO conductive mechanism. This project seeks to ZnO polycrystalline thin film systems using conductive atomic force microscope (CAFM), quantitative differences between the grains of the polycrystalline semiconductor thin film materials in the conductive nature by CAFM characterization explore grain polycrystalline semiconductor thin film materials state and boundary behavior of conductive condition of polycrystalline semiconductor grain boundaries carrier transport mechanism to build ZnO polycrystalline semiconductor thin film theory model of carrier transport mechanism, study the ZnO material microstructure conductive characteristics for device operating characteristics the impact of ZnO materials and devices in order to optimize materials growth and device design.

多晶纳米结构的ZnO在纳米光电子器件和纳米电子器件方面有巨大的应用价值，当前集中在透明薄膜晶体管、存储器、透明导电薄膜等这三类热门应用中。在这些器件应用中，多晶态的ZnO材料晶粒状态及晶粒边界行为严重影响ZnO材料的电学特性，而对于ZnO多晶纳米材料电学特性的了解仅是唯像模型的研究或者定性的讨论，传统的表征手段仍然无法满足现代电子器件的尺寸微型化要求，也无法满足对ZnO导电机制在亚微米或者纳米量级上的微观探寻。本项目试图采用导电原子力显微镜（CAFM）对ZnO多晶薄膜的系统研究，通过CAFM表征方式定量的获得多晶半导体薄膜材料晶粒间在导电性质上的差异，探求多晶半导体薄膜材料中晶粒状态及边界行为对导电状况的影响，研究多晶半导体晶界处载流子输运机理，构建ZnO 多晶半导体薄膜中载流子输运机制理论模型，研究ZnO材料微观导电特性对于器件工作特性的影响，从而指导ZnO 材料和器件的优化。

多晶纳米结构的氧化锌基材料（典型的材料如ZnO、In2O3、Ga2O3等）在纳米光电子器件和纳米电子器件方面有巨大的应用价值，当前集中在透明薄膜晶体管、存储器、透明导电薄膜等这三类热门应用中。在这些器件应用中，多晶态的氧化锌基材料晶粒状态及晶粒边界行为严重影响氧化锌基材料的电学特性，而对于氧化锌基多晶纳米材料电学特性的了解仅是唯像模型的研究或者定性的讨论，传统的表征手段仍然无法满足现代电子器件的尺寸微型化要求，也无法满足对氧化锌基材料的导电机制在亚微米或者纳米量级上的微观探寻。. 本项目针对氧化锌基多晶材料在光电子器件中的应用需求，利用导电原子力显微镜（CAFM）对氧化锌（ZnO）纳米材料进行系统研究，深入认识材料的电学特性与结构特性之间的关系，指导材料生长的控制和器件性能的优化。一方面，从统计的角度，研究材料的导电、传输特性在空间上的分布统计，解释多晶薄膜的传输机制，以利于材料性能的优化；同时，通过考察这些微观结构的动态导电行为，从深层次了解一些物理现象（比如阻变效应、多晶边界俘获电子等）的形成机制，为氧化锌基材料光电子器件应用提供科学依据。. 我们统计了近百个利用不同生长条件制备的氧化物半导体的电学特性（迁移率、电子浓度），观察到了氧化锌ZnO和氧化铟In2O3中一般存在一个临界电子浓度Ncr：样品中电子浓度低于Ncr时，迁移率随电子浓度增加而增加；电子浓度高于Ncr时，迁移率随电子浓度的增加而降低。在晶粒尺寸约为50nm的微晶薄膜上，我们观测到：（a）不同晶粒呈现出不同的阻值，并且这种阻值和晶粒的具体取向存在一定的联系；（b）晶界相对于晶粒内部呈现出“高阻态”；（c）晶粒和晶界的微观电阻率具有动态特性（亦即在测试的重复过程中，其电阻值不断发生变化）。这部分工作实际上是高精度而直观的观测了氧化物半导体中的微观结构的电学特性。我们观测到多晶材料晶界处存在充电和放电现象。在器件应用方面，通过对氧化物半导体薄膜材料微观电学机理的研究，为器件应用所需指明了优化方向，因此制备了各种高性能的透明导电薄膜材料，这些材料在GaN蓝光LED正装器件、倒装器件、365nm紫外LED器件等领域获得应用，显著提升了器件的性能。