氧化锌纳米结构场效应晶体管与光探测器件的研究

发布时间：2018-03-05 22:19

  本文选题：氧化锌纳米线　切入点：氧化锌纳米带　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在过去的数十年中,氧化锌,由于其优越的光电学性能(禁带宽度:3.37 eV,激子束缚能:60 meV),吸引了越来越多研究者的注意。而纳米结构下的氧化锌,进一步提升了其光电学性能,例如纳米结构下大的比表面积可提升对气体分子的表面吸附等等,使之在发光二极管、紫外光探测器、太阳能电池、光解水制氢等领域表现出了极大的潜在应用价值。其中,由于场效应晶体管是电子器件中的基础结构,制备基于氧化锌纳米结构的场效应晶体管,受到了科研工作者的广泛关注与研究。然而,由于氧化锌本征缺陷及表面态的复杂性,其对氧化锌场效应晶体管的性能有着非常重要的影响,因此揭示其物理机制并探究提高晶体管性能的有效方法就显得尤为重要。此外,近年来随着二维材料的兴起,诸多超薄纳米材料相继被制备和研究,包括超薄氧化锌纳米带结构,然而对其光电学性能的深入研究却相对缺乏。有鉴于此,本论文将利用化学气相沉积法生长氧化锌纳米线及超薄氧化锌带,并制备基于这些纳米结构的场效应晶体管及紫外光探测器件,在深入研究其光电性能的基础上提出了提升晶体管性能包括迁移率、亚阈值斜率、开关比,实现阈值电压及器件类型的调控,优化紫外光探测性能的有效方法,并取得如下创新性成果:(1)介电层还原性气氛退火对单根氧化锌纳米线晶体管性能的影响。实验结果表明,介电层在还原气氛退火后,晶体管性能有了大幅的提升,迁移率从2.0cm~2/V·s提高到37.9cm~2/V·s,开关比从10.6增加到2.6x104,而亚阈值斜率从74V/decade下降到1 V/decade。通过研究发现介电层还原气氛退火可有效降低了介电层表面游离态氧浓度,从而降低游离态氧对氧化锌纳米线晶体管性能的负面影响,最终提升晶体管器件性能。(2)晶体管阈值电压的调节及器件运行类型的调控。通过系统实验研究发现,氧化锌纳米线在氧气气氛中退火后,载流子浓度降低,相应晶体管阈值电压正向移动,器件类型从耗尽型转变到增强型;而纳米线在还原性气氛退火后,纳米线载流子浓度增大,器件阈值电压负向移动。载流子浓度的变化主要和不同气氛条件下退火,氧化锌表面及内部缺陷类型及浓度的变化有关。此外,当氧化锌纳米线表面修饰上金颗粒之后,其相对应晶体管阈值电压也会发生正向移动,阈值电压的变化主要来源于电荷转移效应。(3)制备并研究了超薄氧化锌纳米带晶体管性能。发现,相对于纳米线晶体管而言,超薄氧化锌纳米带晶体管迁移率有了大幅提升,部分器件迁移率达到200cm~2/V·s。器件性能的提升,来源于超薄纳米带的特殊结构及覆盖介电层的钝化效应。(4)超薄氧化锌纳米带晶体管阈值电压的调节及器件运行类型的调控。以Ti/Au电极作为氧化锌纳米带晶体管源漏电极时,晶体管展现出负的阈值电压,表明晶体管呈耗尽型;而当MoOx/Au作为晶体管源漏电极时,氧化锌纳米线晶体管拥有正的阈值电压,从而实现晶体管类型从耗尽型到增强型的转变。当MoOx修饰在氧化锌表面时,可钝化其表面吸附氧,释放束缚态电子载流子,提高氧化锌内部载流子浓度,从而实现器件阈值电压的调控。(5)研究了氧化锌纳米线对紫外光的探测性能,并通过引入肖特基势垒提高器件对光的响应能力。实验表明,单根氧化锌纳米线对350 nm紫外光拥有良好的探测性能,同时通过在电极处引入肖特基势垒,可极大提高纳米线对紫外光的响应速度。此外,通过改进器件结构,构建基于散乱分布的氧化锌纳米线的光探测器,利用线与线接触处的势垒,进一步提高对紫外光的响应速度及开关比。最终,探测器的开关比可为103,响应及回复时间分别为12.1s和2.3s。总之,我们制备了基于氧化锌纳米线及纳米带的场效应晶体管及紫外光探测器,并系统研究了介电层气氛退火、纳米线气氛退火、氧化锌表面金属修饰对其晶体管性能的影响,同时也提出了一些用于改善氧化锌紫外光探测器件性能的方法,为氧化锌纳米材料在半导体集成电路、气氛探测、光探测等领域的实际应用奠定了一定基础。
[Abstract]:Zinc Oxide in the past few decades, and because of its excellent photoelectric properties (band width: 3.37 eV, exciton binding energy: 60 meV), has attracted more and more attention of researchers. The nano structure of the Zinc Oxide, to further enhance the optical electrical properties, such as nano structure under large surface area can enhance the adsorption of gas molecules and so on, so that the light emitting diode, UV detectors, solar cells, field water photolysis showed great potential application value. Among them, the field effect transistor is a basic structure in electronic devices, the preparation of nano field effect transistor based on the structure of Zinc Oxide, has been widely pay attention to research and study. However, because of the complexity of the intrinsic defects and surface state of Zinc Oxide, has a very important influence on the Zinc Oxide field effect transistor performance, thus revealing the It is particularly important to management mechanism and to explore the effective method to improve the performance of transistor. In addition, in recent years, with the rise of two-dimensional materials, nano materials have been many thin and Study on the preparation, including Zinc Oxide ultra-thin nanobelts, but the optical electrical properties of research is relatively lack. In view of this, this paper will use chemical gas phase deposition and ultrathin nanowires with Zinc Oxide Zinc Oxide, and the preparation of the nano structure field effect transistor and UV detector based on the basis of in-depth study on the photoelectric properties of the proposed to enhance transistor performance including mobility, sub threshold slope, switch control ratio, threshold voltage and device type, effective optimization method of UV detection performance, and innovative achievements are as following: (1) the dielectric layer reducing atmosphere annealing of single nanowire transistor performance of Zinc Oxide The effect. The experimental results show that the dielectric layer in a reducing atmosphere after annealing, the transistor performance has improved dramatically, the migration rate increased from 2.0cm~2/V s to 37.9cm~2/V s, the switching ratio increased from 10.6 to 2.6x104, and the sub threshold slope decreased from 74V/decade to 1 V/decade. through the study found that the dielectric layer reducing atmosphere annealing to effectively reduce the dielectric layer on the surface of free oxygen concentration, thereby reducing the negative effects of free oxygen in Zinc Oxide nanowire transistor performance, and ultimately enhance the performance of the transistor device. (2) the regulation of transistor threshold voltage regulation device and operation type. Through experimental study found that Zinc Oxide nanowires annealed in oxygen atmosphere, the carrier concentration decreases, the corresponding threshold voltage of a transistor is mobile, device type from depleted to enhanced; and nanowires in a reducing atmosphere after annealing, the nanowire carrier concentration The threshold voltage increases, the negative move. The change in carrier concentration and under different atmosphere conditions annealing, changes of the Zinc Oxide surface and internal defects of type and concentration. In addition, after surface modification of nano wire on Zinc Oxide gold particles, the corresponding transistor threshold voltage will move forward, the change of threshold voltage sources in the charge transfer effect. (3) the preparation and research of ultra-thin nanobelts Zinc Oxide transistor performance. It is found that, compared to the nanowire transistors, transistors with ultra-thin nano Zinc Oxide mobility has been greatly promoted, some device mobility reached 200cm~2/V / s. device performance, special from ultrathin nanobelts and passivation structure the effect of covering the dielectric layer. (4) Zinc Oxide ultra-thin nanobelts transistor threshold voltage regulation device and operation type regulation. Using Ti/Au electrode as Zinc Oxide With nano transistor source and drain electrodes, transistors exhibit negative threshold voltage, a depletion type transistor that; and when MoOx/Au as the transistor source and drain electrodes, Zinc Oxide nanowire transistors have positive threshold voltage, so as to achieve the type of transistor from depletion to enhanced transformation. When the MoOx surface can be modified in Zinc Oxide. The passivation of the surface adsorption of oxygen release of bound electron carriers, improve internal Zinc Oxide carrier concentration, so as to control the threshold voltage of the device. (5) study on the detection performance of Zinc Oxide nanowires to UV light, and improve the response capacity of the device to light through the introduction of the Schottky barrier. Experimental results show that the single nanowire has a good detection performance of Zinc Oxide on the 350 nm light, at the same time through the introduction of the Schottky barrier at the electrode, which can improve the response speed of nanowires to ultraviolet. In addition, through the improvement of The device structure, construction of light detector Zinc Oxide nanowires scattered distribution based on the use of line and line contact at the barrier, to further improve the response speed and switch to UV light than. Eventually, the switch ratio of the detector is 103, the response time and the recovery time were 12.1s and 2.3s. in short, we prepared nano wire and nano Zinc Oxide with field effect transistors and UV detectors based on, and study the dielectric layer annealing, nano wire annealing, metal surface modification effect on the Zinc Oxide transistor performance, it also puts forward some methods for improving the performance of Zinc Oxide UV detector, atmosphere detection of nanometer materials in Zinc Oxide semiconductor integrated circuit, which the foundation of practical application field of optical detection.

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ132.41;TB383.1

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本文编号：1572147