氧化鋅納米結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管與光探測(cè)器件的研究.pdf

1、在過(guò)去的數(shù)十年中，氧化鋅，由于其優(yōu)越的光電學(xué)性能（禁帶寬度：3.37eV，激子束縛能：60meV），吸引了越來(lái)越多研究者的注意。而納米結(jié)構(gòu)下的氧化鋅，進(jìn)一步提升了其光電學(xué)性能，例如納米結(jié)構(gòu)下大的比表面積可提升對(duì)氣體分子的表面吸附等等，使之在發(fā)光二極管、紫外光探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、光解水制氫等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。其中，由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管是電子器件中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，制備基于氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，受到了科研工作者的廣泛關(guān)注與研究。

2、然而，由于氧化鋅本征缺陷及表面態(tài)的復(fù)雜性，其對(duì)氧化鋅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能有著非常重要的影響，因此揭示其物理機(jī)制并探究提高晶體管性能的有效方法就顯得尤為重要。此外，近年來(lái)隨著二維材料的興起，諸多超薄納米材料相繼被制備和研究，包括超薄氧化鋅納米帶結(jié)構(gòu)，然而對(duì)其光電學(xué)性能的深入研究卻相對(duì)缺乏。
　　有鑒于此，本論文將利用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)氧化鋅納米線(xiàn)及超薄氧化鋅帶，并制備基于這些納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及紫外光探測(cè)器件，在深入研究其光電性能

3、的基礎(chǔ)上提出了提升晶體管性能包括遷移率、亞閾值斜率、開(kāi)關(guān)比，實(shí)現(xiàn)閾值電壓及器件類(lèi)型的調(diào)控，優(yōu)化紫外光探測(cè)性能的有效方法，并取得如下創(chuàng)新性成果：
　?。?）介電層還原性氣氛退火對(duì)單根氧化鋅納米線(xiàn)晶體管性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，介電層在還原氣氛退火后，晶體管性能有了大幅的提升，遷移率從2.0 cm2/V·s提高到37.9cm2/V·s，開(kāi)關(guān)比從10.6增加到2.6×104，而亞閾值斜率從74V/decade下降到1V/decade。通

4、過(guò)研究發(fā)現(xiàn)介電層還原氣氛退火可有效降低了介電層表面游離態(tài)氧濃度，從而降低游離態(tài)氧對(duì)氧化鋅納米線(xiàn)晶體管性能的負(fù)面影響，最終提升晶體管器件性能。
　　（2）晶體管閾值電壓的調(diào)節(jié)及器件運(yùn)行類(lèi)型的調(diào)控。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋅納米線(xiàn)在氧氣氣氛中退火后，載流子濃度降低，相應(yīng)晶體管閾值電壓正向移動(dòng)，器件類(lèi)型從耗盡型轉(zhuǎn)變到增強(qiáng)型；而納米線(xiàn)在還原性氣氛退火后，納米線(xiàn)載流子濃度增大，器件閾值電壓負(fù)向移動(dòng)。載流子濃度的變化主要和不同氣氛條件下退火

5、，氧化鋅表面及內(nèi)部缺陷類(lèi)型及濃度的變化有關(guān)。此外，當(dāng)氧化鋅納米線(xiàn)表面修飾上金顆粒之后，其相對(duì)應(yīng)晶體管閾值電壓也會(huì)發(fā)生正向移動(dòng)，閾值電壓的變化主要來(lái)源于電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。
　?。?）制備并研究了超薄氧化鋅納米帶晶體管性能。發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于納米線(xiàn)晶體管而言，超薄氧化鋅納米帶晶體管遷移率有了大幅提升，部分器件遷移率達(dá)到200cm2/V·s。器件性能的提升，來(lái)源于超薄納米帶的特殊結(jié)構(gòu)及覆蓋介電層的鈍化效應(yīng)。
　?。?）超薄氧化鋅納米帶晶體管

6、閾值電壓的調(diào)節(jié)及器件運(yùn)行類(lèi)型的調(diào)控。以Ti/Au電極作為氧化鋅納米帶晶體管源漏電極時(shí)，晶體管展現(xiàn)出負(fù)的閾值電壓，表明晶體管呈耗盡型；而當(dāng)MoOx/Au作為晶體管源漏電極時(shí)，氧化鋅納米線(xiàn)晶體管擁有正的閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)晶體管類(lèi)型從耗盡型到增強(qiáng)型的轉(zhuǎn)變。當(dāng)MoOx修飾在氧化鋅表面時(shí)，可鈍化其表面吸附氧，釋放束縛態(tài)電子載流子，提高氧化鋅內(nèi)部載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)器件閾值電壓的調(diào)控。
　　（5）研究了氧化鋅納米線(xiàn)對(duì)紫外光的探測(cè)性能，并通過(guò)引

7、入肖特基勢(shì)壘提高器件對(duì)光的響應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)表明，單根氧化鋅納米線(xiàn)對(duì)350nm紫外光擁有良好的探測(cè)性能，同時(shí)通過(guò)在電極處引入肖特基勢(shì)壘，可極大提高納米線(xiàn)對(duì)紫外光的響應(yīng)速度。此外，通過(guò)改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，構(gòu)建基于散亂分布的氧化鋅納米線(xiàn)的光探測(cè)器，利用線(xiàn)與線(xiàn)接觸處的勢(shì)壘，進(jìn)一步提高對(duì)紫外光的響應(yīng)速度及開(kāi)關(guān)比。最終，探測(cè)器的開(kāi)關(guān)比可為103，響應(yīng)及回復(fù)時(shí)間分別為12.1s和2.3s。
　　總之，我們制備了基于氧化鋅納米線(xiàn)及納米帶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及紫