基于氧化铟纳米线场效应晶体管制备及其电学性能研究

发布时间：2020-03-26 16:57

【摘要】：随着近些年来纳米科技的迅猛发展,纳米材料及器件的研究已成为相关领域的研究热点。氧化铟(In_2O_3)纳米线因其具有较大的禁带宽度、可见光区域的高透明性及稳定的化学性质等特性,广泛应用于传感器、催化剂和场效应晶体管等领域。本文针对In_2O_3纳米线开展了以下的工作。1.制备并表征In_2O_3纳米线的材料结构。本文以In_2O_3粉末、石墨粉末为制备原料,表面预先沉积的金纳米颗粒的硅片作为基底,金纳米颗粒充当催化剂,利用化学气相沉积法制备出In_2O_3纳米线材料。随后对其进行表征。结果表明,制备的材料的晶体结构为立方晶型,材料沿该晶面指数(222)优先生长,有较高的结晶度。数量较为可观,尺寸分布均匀且比较细。2.设计并制备了三种不同栅极绝缘层的In_2O_3纳米线场效应晶体管(Field Effect Transistors,FET)。本文分别以氮化硅(Si_3N_4)、二氧化硅(SiO_2)和氧化铪(HfO_2)三种材料作为栅极绝缘层,In_2O_3纳米线材料为有源层,硅片作为衬底,金与铬金属材料为电极的In_2O_3纳米线FET。3.测试并分析了不同类型的In_2O_3纳米线FET的电学性能。本文分别对Si_3N_4、SiO_2和HfO_2充当三种栅极绝缘层的In_2O_3纳米线FET进行了电学性能测试,其开关比分别高达10~7、10~6和10~8,阈值电压值分别为-2.8 V、-3.2 V和-12.1 V,场效应迁移率分别约为120 cm~2 V~(-1) s~(-1)、40 cm~2 V~(-1) s~(-1)和115 cm~2 V~(-1) s~(-1),器件的亚阈值斜率分别为0.17 V/dec、0.15 V/dec和0.18 V/dec。结果表明,本文设计并制备的三类In_2O_3纳米线FET器件均为增强型FET,但各自的电学性能特点有所不同:Si_3N_4栅绝缘层FET迁移率较高,SiO_2栅绝缘层FET开关比与亚阈值斜率性能较为良好。上述分析对于In_2O_3纳米线FET的制备与应用具有一定的指导意义。
【图文】：

这些缺陷的产生给电子的填充提供了有利条件，所以 In2O3材料具有优良的导电性能。图1-1 (a)立方晶型的 In2O3晶胞，图 1-1 (b)单晶 In2O3中两个铟原子的位置。图 1-1 (a) 立方晶型的 In2O3晶胞， (b) 单晶 In2O3中两个铟原子的位置从图中可以看到，In2O3晶胞中原子较多，晶胞中氧原子和铟原子的原子数之比为 3/2，晶胞中每个铟原子都有六个氧原子包围，而且铟原子都位于立方体体心的位置，但铟原子与氧原子的排列方式有两种，一种是立方体的上表面有 4 个氧原子，下表面有 3 个氧原子。另一种是立方体的上、下表面各含有 3 个氧原子。材料的晶胞结构决定了材料自身的许多性能。In2O3独特的晶胞结构使得其具有高达 3.55~3.7 eV 的禁带宽度、稳定的化学性质、可见光区域的高透明性，可见光透光率高达 82%等优点[9,10]。一维纳米材料因其特殊的尺寸和独特的特性

图 2-1 四种 FET 结构示意图2.3 FET 工作原理晶体管工作原理是利用改变栅极分别与源、漏两个电极之间的电场来控制器件导电性能。其主要因为栅极与沟道之间有一层绝缘层介质，沟道电流是有源层和栅极绝缘层之间的界面电荷变化形成的，电荷的多少是通过栅极电压进行控制。导电沟道是通过增加电压来调控导电沟道的尺寸，随之而来是导电沟道电阻大小的转变，以此来控制源、漏两个电极之间的转移电流[51]。n 型晶体管是因其多数载流子为电子，所以器件通过自由电子进行导电，而 p 型晶体管中多数载流子为空穴，所以器件通过空穴进行导电。根据器件载流子的导电方式的不同，我们可以把 FET 大致分为增强型器件和耗尽型器件两类。当 FET 呈关断状态时，此时栅极与源极之间电压（Vg）为零，随着栅极与源极之间加上适当 Vg后，，载流子发生运动到栅极，从而使得栅极区域的载流子数量产生明显变化，导电沟道形成，晶体管呈现开启状态。对于增强型器件而言，当栅极与源极之间的电压增加到某一数值时，栅极区域的载流子数量明显增多，导电沟
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ133.53;TB383.1;TN386

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本文编号：2601702