氧化鋅納米結構場效應晶體管與光探測器件的研究.pdf

1、在過去的數(shù)十年中，氧化鋅，由于其優(yōu)越的光電學性能（禁帶寬度：3.37eV，激子束縛能：60meV），吸引了越來越多研究者的注意。而納米結構下的氧化鋅，進一步提升了其光電學性能，例如納米結構下大的比表面積可提升對氣體分子的表面吸附等等，使之在發(fā)光二極管、紫外光探測器、太陽能電池、光解水制氫等領域表現(xiàn)出了極大的潛在應用價值。其中，由于場效應晶體管是電子器件中的基礎結構，制備基于氧化鋅納米結構的場效應晶體管，受到了科研工作者的廣泛關注與研究。

2、然而，由于氧化鋅本征缺陷及表面態(tài)的復雜性，其對氧化鋅場效應晶體管的性能有著非常重要的影響，因此揭示其物理機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構，然而對其光電學性能的深入研究卻相對缺乏。
　　有鑒于此，本論文將利用化學氣相沉積法生長氧化鋅納米線及超薄氧化鋅帶，并制備基于這些納米結構的場效應晶體管及紫外光探測器件，在深入研究其光電性能

3、的基礎上提出了提升晶體管性能包括遷移率、亞閾值斜率、開關比，實現(xiàn)閾值電壓及器件類型的調(diào)控，優(yōu)化紫外光探測性能的有效方法，并取得如下創(chuàng)新性成果：
　?。?）介電層還原性氣氛退火對單根氧化鋅納米線晶體管性能的影響。實驗結果表明，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，開關比從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)氧對氧化鋅納米線晶體管性能的負面影響，最終提升晶體管器件性能。
　　（2）晶體管閾值電壓的調(diào)節(jié)及器件運行類型的調(diào)控。通過系統(tǒng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋅納米線在氧氣氣氛中退火后，載流子濃度降低，相應晶體管閾值電壓正向移動，器件類型從耗盡型轉(zhuǎn)變到增強型；而納米線在還原性氣氛退火后，納米線載流子濃度增大，器件閾值電壓負向移動。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)部缺陷類型及濃度的變化有關。此外，當氧化鋅納米線表面修飾上金顆粒之后，其相對應晶體管閾值電壓也會發(fā)生正向移動，閾值電壓的變化主要來源于電荷轉(zhuǎn)移效應。
　?。?）制備并研究了超薄氧化鋅納米帶晶體管性能。發(fā)現(xiàn)，相對于納米線晶體管而言，超薄氧化鋅納米帶晶體管遷移率有了大幅提升，部分器件遷移率達到200cm2/V·s。器件性能的提升，來源于超薄納米帶的特殊結構及覆蓋介電層的鈍化效應。
　?。?）超薄氧化鋅納米帶晶體管

6、閾值電壓的調(diào)節(jié)及器件運行類型的調(diào)控。以Ti/Au電極作為氧化鋅納米帶晶體管源漏電極時，晶體管展現(xiàn)出負的閾值電壓，表明晶體管呈耗盡型；而當MoOx/Au作為晶體管源漏電極時，氧化鋅納米線晶體管擁有正的閾值電壓，從而實現(xiàn)晶體管類型從耗盡型到增強型的轉(zhuǎn)變。當MoOx修飾在氧化鋅表面時，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，從而實現(xiàn)器件閾值電壓的調(diào)控。
　?。?）研究了氧化鋅納米線對紫外光的探測性能，并通過引

7、入肖特基勢壘提高器件對光的響應能力。實驗表明，單根氧化鋅納米線對350nm紫外光擁有良好的探測性能，同時通過在電極處引入肖特基勢壘，可極大提高納米線對紫外光的響應速度。此外，通過改進器件結構，構建基于散亂分布的氧化鋅納米線的光探測器，利用線與線接觸處的勢壘，進一步提高對紫外光的響應速度及開關比。最終，探測器的開關比可為103，響應及回復時間分別為12.1s和2.3s。
　　總之，我們制備了基于氧化鋅納米線及納米帶的場效應晶體管及紫