基于可控Cd摻雜In2O3納米線的電學(xué)特性研究

郭慧爾， 葛 焱， 王春來， 李琳瓏， 于永強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于可控Cd摻雜In2O3納米線的電學(xué)特性研究

郭慧爾， 葛 焱， 王春來， 李琳瓏， 于永強(qiáng)

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章利用化學(xué)氣相沉積法合成了不同摩爾比的Cd摻雜的In2O3納米線，制備了基于單根In2O3納米線的底柵場效應(yīng)晶體管，并研究了其電輸運(yùn)特性。結(jié)果表明，相對未摻雜的In2O3納米線，In2O3∶Cd納米線的電導(dǎo)率有1～2個(gè)數(shù)量級(jí)變化，載流子遷移率高達(dá)58.1cm2／（V·s），載流子濃度高達(dá)3.7×1018cm－3?？煽谻d摻雜In2O3納米線將在納米光電子器件方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

In2O3納米線；化學(xué)氣相沉積；Cd摻雜；場效應(yīng)晶體管

In2O3是一種透明氧化物半導(dǎo)體，禁帶寬度為3.4～3.75eV，由于其具有較高的催化活性、較好的電學(xué)及光學(xué)特性［1－3］，而被廣泛應(yīng)用于光電池、傳感元件及透明電極材料等領(lǐng)域［4］。近年來，有關(guān)實(shí)現(xiàn)全透明發(fā)光器件的制備已成為研究的熱點(diǎn)，特別是在全透明的電極接觸、全透明驅(qū)動(dòng)等方面的研究愈來愈熱，其中在柔性襯底上，利用ZnO或In2O3納米線為導(dǎo)電溝道制備的全透明二極管被證明有杰出的驅(qū)動(dòng)性能［5－6］。

當(dāng)前In2O3納米線的研究主要集中在其多形貌的納米線生長［7－8］或者氣敏特性［9］的研究等方面，而利用In2O3納米線作為導(dǎo)電溝道制備不同種類的納米器件的探索及研究不多。實(shí)現(xiàn)納米器件的應(yīng)用往往需要有效地控制納米材料的摻雜，但當(dāng)前有關(guān)In2O3納米線的可控?fù)诫s及其在相關(guān)器件的應(yīng)用研究報(bào)道并不多。

本文就Cd摻雜In2O3納米線的可控合成、單根In2O3∶Cd納米線的場效應(yīng)晶體管（FET）制備及性能測試方面進(jìn)行了系列研究，研究表明，單根In2O3納米線的FET在摻雜摩爾比不高的情況下，有良好的柵壓調(diào)節(jié)效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 In2O3∶Cd納米線的合成與表征

Cd摻雜In2O3納米線的合成是通過簡單的熱蒸發(fā)方法在水平管式爐中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程示意圖如圖1所示。高純In2O3、C、CdS混合粉末0.25g作為蒸發(fā)源，CdS粉末作為摻雜源，置于一端開口的小試管底部，小試管置于管式爐中心區(qū)域，反應(yīng)原理為碳熱還原反應(yīng)。Au催化顆粒的Si片（5nm）放置在蒸發(fā)源下游14cm處做襯底，反應(yīng)過程中保持爐內(nèi)氣壓26 600Pa，并保持100mL／min Ar氣做保護(hù)氣體，8mL／min O2做反應(yīng)氣體，蒸發(fā)源加熱至1 080℃，保溫2h，自然降溫至室溫，于Si襯底上得到淡黃色粉末沉積物。記錄3種不同Cd摻雜摩爾比的In2O3納米線，分別標(biāo)記為樣品1、樣品2和樣品3，相應(yīng)地In與Cd的摩爾比分別為15∶1、10∶1、5∶1。未摻雜In2O3納米線的反應(yīng)條件除了未使用CdS摻雜源之外，其他條件完全相同，文中標(biāo)記為未摻雜。

圖1 實(shí)驗(yàn)過程示意圖

采用 X 射線衍射儀（XRD，RigakuD／MaxrB，Cukα射線）對納米線的物性進(jìn)行了表征；采用掃描電子顯微鏡（SEM，SIRION 200FEG）對納米線的形貌進(jìn)行了表征；采用X射線光電子能譜儀 （XPS，Thermo ESCALAB 250）對納米線的元素組成進(jìn)行了表征。

1.2 In2O3∶Cd納米線FET的制備與表征

單根納米線底柵FET的制備工藝流程為：

（1）分散。將制備所得的In2O3納米線，均勻地分散在具有300nm SiO2層的p型Si片表面。

（2）涂膠。涂膠機(jī)涂膠，600r／min涂9s，再3 500r／min 30s，使得甩膠均勻、薄厚適中。

（3）烘膠。在90℃的環(huán)境下，烘膠90s。

（4）光刻。對掩模板覆蓋的樣品進(jìn)行光學(xué)曝光，曝光時(shí)間為18s。

（5）顯影。在顯影液中顯影35s，去除曝光部分。

（6）蒸電極。電子束蒸發(fā)蒸鍍50nm Ti作為金屬電極。

（7）洗膠。用丙酮洗去樣品上遺留的光刻膠。

室溫下，采用半導(dǎo)體測試儀系統(tǒng)（Keithley 4200－SCS）對In2O3∶Cd納米線的電輸運(yùn)特性進(jìn)行了表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 In2O3∶Cd納米線的表征

典型的In2O3∶Cd納米線的SEM、EDX、XRD及XPS圖譜如圖2所示。

圖2 In2O3∶Cd納米線的SEM、EDX、XRD及XPS圖譜

從圖2a可以看出，納米線產(chǎn)量茂密，尺度較為均勻，表面光滑，長度可達(dá)20μm，粒徑約為400～500nm。其相對應(yīng)的EDX圖譜如圖2b所示，圖中僅含In和O 2種元素，化學(xué)計(jì)量n（In）∶n（O）＝1∶1.4接近元素In2O3的理想化學(xué)計(jì)量比。EDX圖譜中沒有Cd元素的存在，其原因是合成納米線中Cd元素摩爾比較低，在儀器的探測范圍之外。

In2O3∶Cd納米線的XRD圖譜如圖2c所示，圖中各衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF894595各衍射峰相比一一對應(yīng)，為典型體心立方結(jié)構(gòu)，除了2θ為69.131°的衍射峰為襯底Si（100）面的衍射峰之外，沒有其他雜質(zhì)衍射峰的出現(xiàn)，表明產(chǎn)物為高純In2O3相。In2O3∶Cd納米線的XPS圖譜如圖2d所示，圖中在405eV附近出現(xiàn)2個(gè)較弱的峰，對比標(biāo)準(zhǔn)圖譜為Cd元素的3d峰，證實(shí)了合成In2O3納米線有Cd元素存在，Cd元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.25%，這表明了In2O3納米線實(shí)現(xiàn)了Cd元素的摻雜。

2.2 In2O3∶Cd納米線電輸運(yùn)特性的測試

基于In2O3∶Cd納米線的底柵FET示意圖如圖3所示，其中源、漏電極采用Ti電極。兩電極法測得的未摻雜和不同摩爾比摻雜的In2O3∶Cd納米線I－V曲線如圖4所示。插圖為源漏電極的SEM圖譜。

由圖4可看出，I－V曲線線性良好，表明Ti電極與In2O3納米線形成良好的歐姆接觸。圖4中In2O3∶Cd納米線的電導(dǎo)率較未摻雜In2O3納米線有明顯的改變，隨著Cd摻雜摩爾比的增加，納米線的電導(dǎo)率依次升高。納米線電導(dǎo)率為：

其中，σ為電導(dǎo)率；L為源漏電極之間納米線的長度；R為納米線的電阻；S為納米線的橫截面積。由此可得，未摻雜In2O3納米線的電導(dǎo)率為0.018S／cm，樣品1、樣品2和樣品3對應(yīng)的電導(dǎo)率分別為0.3、5.0、5.8S／cm。相對于本征In2O3納米線，Cd摻雜In2O3納米線電導(dǎo)率有1～2個(gè)數(shù)量級(jí)變化，這表明Cd摻雜能較大改變納米線的電導(dǎo)率，隨著摻雜摩爾比的升高，納米線的電導(dǎo)率增加，且能較為有效地控制納米線的電導(dǎo)。至于本征In2O3納米線具有相對較高的電導(dǎo)率，可能是In2O3納米線中富含大量O空位，使得In元素提供大量自由電子作為載流子，從而使In2O3納米線顯示很強(qiáng)的n型半導(dǎo)體性能［10］，表明Cd元素可以作為一個(gè)很好的摻雜源，用以改變In2O3納米線的導(dǎo)電性能。

圖3 底柵MOSFET示意圖

圖4 不同摻雜量In2O3納米線的I－V曲線

不同柵壓下單根In2O3∶Cd納米線Ids－Vds曲線如圖5所示，插圖為Vds＝5V的Ids－Vgs曲線。

圖5 In2O3∶Cd納米線在不同柵壓下的Ids－Vds曲線及相應(yīng)Ids－Vgs曲線

由圖5看出，隨著柵壓（Vgs）的逐漸增大，Ids也逐漸增大，這表明基于Cd摻雜In2O3納米線制備的底柵場效應(yīng)管是典型的n溝道MOSFET。Cd摻雜In2O3納米線具有n型半導(dǎo)體特性，其原因可能在于Cd摻雜是間隙式摻雜，而非替位式。

由Ids－Vgs曲線的線性部分可得跨導(dǎo)gm為：

載流子遷移率可表示為：

其中，L為兩電極之間的距離（8μm）；h為絕緣層的厚 度 （300nm）；d為 納 米 線 的 直 徑 （～500nm）；gm為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)；εSiO2為SiO2的電介質(zhì)常數(shù)（3.9）。

載流子濃度可根據(jù)ne＝σ／qμe求得。其中，σ為Cd摻雜In2O3納米線Vgs＝0V時(shí)的電導(dǎo)率；q為電子電量。基于不同Cd摻雜量制備的In2O3納米線底柵場效應(yīng)管的器件參數(shù)見表1所列。從表1可以看出，隨著摻雜摩爾比的升高，gm和μe先 升 高 后 降 低，μe最 大 值 為58.1cm2／（V·s）。μe先升高可能源于高的摻雜摩爾比提高了納米線導(dǎo)電溝道的電導(dǎo)率和改善了電接觸［11］。隨著摻雜摩爾比繼續(xù)提高，μe從58.1cm2／（V· s）降至10.1cm2／（V· s），這主要是因?yàn)檩d流子濃度的增大，使得載流子遷移過程中散射增強(qiáng)，導(dǎo)致電子遷移率反而下降。隨著Cd摻雜水平的提高，載流子濃度ne顯著增大，最高可達(dá)到樣品3的3.7×1018cm－3，這已接近大多數(shù)n型半導(dǎo)體納米材料的水平［12］。另一方面，隨著載流子濃度ne的升高，柵壓對溝道電導(dǎo)的控制作用變得越來越弱，使得ION／IOFF從樣品1的10降到樣品3的1。結(jié)果反映了In2O3納米線的電學(xué)特性可以有效地通過改變Cd摻雜摩爾比來實(shí)現(xiàn)。制備所得In2O3納米線成功地實(shí)現(xiàn)了Cd元素的可控?fù)诫s。

表1 In2O3∶Cd納米線FET器件的主要參數(shù)

3 結(jié)束語

本文采用化學(xué)氣相沉積法成功合成了In2O3∶Cd納米線，并制備了基于單根In2O3納米線的底柵場效應(yīng)晶體管。通過對未摻雜和不同摻雜量納米線Ids－Vds、Ids－Vgs曲線的分析發(fā)現(xiàn)，隨著Cd摩爾比的不斷增大，載流子濃度亦不斷地增大，載流子遷移率先增大后減小，此結(jié)果證實(shí)了通過調(diào)節(jié)Cd元素的摻雜量可以有效地改變In2O3納米線的電學(xué)特性。本文對利用In2O3納米線制備全透明發(fā)光器件以及全透明驅(qū)動(dòng)等方面的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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Tunable electric properties of Cd－doped In2O3nanowires

GUO Hui－er， GE Yan， WANG Chun－lai， LI Lin－long， YU Yong－qiang
（School of Electronic Science and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Cd－doped In2O3nanowires（NWs）with different molar ratio were accomplished via the method of chemical vapor deposition.Back－gate field－effect transistors（MOSFETs）were constructed based on the single In2O3∶Cd NW.Systematical measurements on the electrical transport properties of the In2O3∶Cd NWs reveal that compared with the non－doped In2O3NWs，the conductivity of In2O3∶Cd NWs can be tuned one or two orders of magnitude by adjusting the Cd doping level.With the increase of Cd doping level，high ionic mobility up to 58.1cm2／（V·s）is obtained and the electron concentration can be as high as 3.7×1018cm－3.It is expected that the Cd－doped In2O3NWs with controllable electrical transport properties will have important applications in nano－optoelectronic devices.

In2O3nanowire；chemical vapor deposition；Cd doping；field－effect transistor

TN305.3；TB383

A

1003－5060（2012）06－0780－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.06.016

2011－11－15；

2012－12－06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2010HGXJ0077）

郭慧爾（1978－），女，山西運(yùn)城人，合肥工業(yè)大學(xué)講師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）