二氧化钛外延单晶薄膜的制备及其特性研究

The band gap width of titanium dioxide (titania, TiO2) material is close to GaN and ZnO, and its physical and chemical properties are more stable, so TiO2 is a promising wide band gap semiconductor material. Rutile and anatase TiO2 single crystal film will be growth by Metal-organic chemical vapour deposition method. Zirconium oxide, magnesium oxide, LaSrAlO4 and R-type titanium dioxide etc. single crystalline wafer will be used as substrates. Crystal lattice match and the preparation process for heteroepitaxial growth of TiO2 films on different substrates will be investigated systemically, and the optimum substrate material (including crystal face orientation) and processing parameter for the epitaxial growth of single crystal TiO2 films will be determined. The optimum processing parameter for homogeneity epitaxial TiO2 films will be also studied. High quality single crystal TiO2 epitaxial films will be obtained; The crystal lattice structure, defects and optoelectronic properties for the pure and doped TiO2 films will be studied, including the electron transport, optical absorption and emission properties. The epitaxial relationship and growth mechanism, energy level transition and luminescence mechanism, doped mechanism and the conductive mechanism for the obtained films will be clarified; Try to study on the preparation of TiO2 based field effect TFT and its performance. High quality TiO2 epitaxial single crystalline films can be sued in many fields such as transparence electron devices, UV light detector and transparence electrode and so on. Systemic research for single crystal TiO2 epitaxial films will lay the foundation for the practical application of the material in electronic devices.

二氧化钛的带隙宽度与氮化镓和氧化锌接近，物理化学性能稳定，是一种很有前途的宽禁带半导体材料。采用MOCVD方法生长金红石和锐钛矿晶型氧化钛单晶薄膜材料。用氧化锆、氧化镁、铝酸锶镧和R型氧化钛等单晶基片为衬底。系统地研究不同衬底上异质外延生长氧化钛薄膜的晶格适配和制备工艺，确定外延生长氧化钛单晶薄膜的最佳衬底材料（包括晶面取向）和制备工艺条件。研究同质外延生长氧化钛单晶薄膜的最佳工艺参数。制备出高质量的氧化钛单晶外延薄膜；研究纯氧化钛及其掺杂薄膜的晶格结构、缺陷、电光性质，包括电子输运、光吸收和光发射性质。弄清薄膜的外延关系和生长机制、能级跃迁和发光机制、掺杂机理和导电机制；尝试进行氧化钛基场效应薄膜晶体管的制备和性能研究。高质量的氧化钛外延单晶薄膜在透明电子器件、紫外探测器和透明电极等领域有着广阔的应用前景，对氧化钛单晶外延薄膜材料进行系统地研究，将为其在电子器件方面的实际应用奠定基础。

二氧化钛的带隙宽度与氮化镓接近，物理化学性能稳定，是一种很有前途的宽禁带半导体材料。氧化钛材料虽然在诸多方面都得到广泛的研究并得到了实际的应用，但是氧化钛作为是一种重要的氧化物宽禁带半导体材料，却没有在半导体光电器件领域取得突破，主要原因就是缺乏单晶外延薄膜材料的制备研究。因此外延生长出高质量的TiO2单晶薄膜，并实现对薄膜电学性质的调控是非常必要地。在充分调研的基础之上，选取掺钇氧化锆(YSZ)、金红石氧化钛(r-TiO2)、铝酸锶钽镧(LSAT)、α-Al2O3、MgAl2O4、MgAl6O10、 LaAlO3、GaN（0001）/Al2O3和钛酸锶（STO）等多种单晶片作为衬底。首先，利用MOCVD方法成功制备出了金红石、板钛矿和锐钛矿三种不同晶型的TiO2单晶外延薄膜，系统地研究了单晶薄膜的结构、化学组分、形貌、外延机理、光电学性质等。优化制备工艺条件，确定出外延关系。其次，在上述研究工作的基础之上制备出了具有不同晶型结构的铌、钽和铟元素掺杂的TiO2薄膜，研究了薄膜的电学性质、导电机制和掺杂机理，实现了对TiO2薄膜电学性质的有效调控。然后，在MgAl6O10(100)衬底上外延Ta掺杂TiO2薄膜，制备出TiO2基金属-半导体-金属（MSM）结构的紫外光电探测器。制备的探测器在315nm处的光响应达到了32.3A/W；制备出TiO2基顶栅-顶接触结构的薄膜晶体管（TFT），制备的TFT具有n沟道耗尽型器件特性，其开关电流比（Ion/Ioff）高达4.0×108，亚阈值摆幅仅为0.60V/dec， TFT器件饱和迁移率为4.4 cm2V−1s−1，均优于目前报道的TiO2基TFT器件。高质量的氧化钛外延单晶薄膜在透明电子器件、紫外探测器和透明电极等领域有着广阔的应用前景，对氧化钛单晶外延薄膜材料进行系统地研究，将为其在电子器件方面的实际应用奠定必要地基础。