單根ZnO納米線的光敏及場(chǎng)效應(yīng)管性質(zhì)研究*

唐欣月，張 鍔，高 紅

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

作為Ⅱ-Ⅶ族寬帶半導(dǎo)體材料，ZnO帶隙為3．37 eV，室溫下激子束縛能較高(60 meV)［1］，ZnO納米材料應(yīng)用廣泛，尤其在光電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景．此外，ZnO還具有壓電效應(yīng)、高的熱穩(wěn)定性、氣敏特性和生物兼容性，使得它在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無(wú)線通信和傳感方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值．

由于具有獨(dú)特的表面效應(yīng)等特征，一維納米結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出比體材料更好的發(fā)光、導(dǎo)電和光電等性能．人們已經(jīng)用一維ZnO納米材料制作出多種器件，如紫外探測(cè)器［2-5］、太陽(yáng)能電池［6-7］、場(chǎng)效應(yīng)管［8-11］等等．而作為重要的基礎(chǔ)電子元件之一，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)雖早已見(jiàn)報(bào)道［12-15］，但多數(shù)以薄膜為主．薄膜晶體管雖有諸多優(yōu)點(diǎn)，但薄膜易形成非晶體，由此導(dǎo)致遷移率相對(duì)不高．但遷移率是FET性能的重要衡量參數(shù)，因此，納米線和納米帶是制作FET器件的優(yōu)良材料．本實(shí)驗(yàn)中，ZnO納米線樣品利用CVD方法合成，并對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，采用微柵模板法制備歐姆接觸的電極及FET器件，探究了單根ZnO納米線在紫外光照射下的光響應(yīng)情況以及FET基本性能．

1 實(shí)驗(yàn)

ZnO納米線采用CVD方法合成．在清洗后的Si片上濺射一層2 nm厚的金膜作為基底．以In單質(zhì)為前驅(qū)物置于剛玉舟上游，基底置于舟下游部位，并將剛玉舟放入高溫管式爐中，使前驅(qū)物處于爐內(nèi)最高溫度處．將管式爐加熱至1300℃恒溫1．5 h，然后停止加熱．其間持續(xù)通入高純氮?dú)獠⒈３至髁繛?00 sccm，爐內(nèi)壓強(qiáng)維持在100 Pa．待管式爐自然冷卻至室溫后取出剛玉舟，在基底上生長(zhǎng)的一層白色絮狀物為合成樣品．

合成樣品的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分由掃描電鏡(FE-SEM，S-4800，Hitachi)表征．用325 nm He-Cd激光為激發(fā)源的微區(qū)拉曼系統(tǒng)(JY0HR 800，F(xiàn)rance)記錄ZnO納米線的光致發(fā)光(PL)譜．樣品的室溫電學(xué)特性和光響應(yīng)由半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀(Agilent B1500A)測(cè)量，且光響應(yīng)測(cè)試中以325 nm He-Cd激光為激發(fā)光源．

利用微柵模板法［16］制作單根ZnO納米線的光敏及FET器件．關(guān)于FET器件的制作，選用表面有300 nm SiO2柵絕緣層的p型Si片作為襯底，先用稀釋過(guò)的氫氟酸腐蝕掉襯底背面的氧化物［16］，然后將單根納米線從生長(zhǎng)基底轉(zhuǎn)移到Si襯底上．采用真空鍍膜方法在襯底背面沉積上背柵電極［17］，再用相同方法，在納米帶兩端沉積上相距20 μm的源漏電極;電極均由80 nm Ti金屬層和100 nm Au金屬層組成［18-19］．撤去微柵后，將器件置于500℃溫度環(huán)境中退火5 min，過(guò)程中持續(xù)通入高純氮．實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，退火有效地改善了納米線與電極之間的接觸．用Ag絲作引線進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)測(cè)量．

2 結(jié)果與討論

樣品形貌的SEM圖像如圖1(a)所示，可以看出納米線長(zhǎng)度約為幾十微米，且形貌均勻、產(chǎn)量很高．圖1(b)為跨Ti/Au電極兩端的納米線的SEM圖．

圖1 樣品形貌的SEM圖

圖2為室溫下測(cè)得的ZnO納米線的光致發(fā)光譜．圖譜顯示，除380 nm附近的近帶邊紫外發(fā)光峰外，還存在與樣品中氧空位有關(guān)［20］的相對(duì)弱的可見(jiàn)發(fā)光峰(550 nm附近)．弱的可見(jiàn)發(fā)光峰說(shuō)明樣品結(jié)晶質(zhì)量良好．

為探究ZnO納米線的光響應(yīng)特征．分別在暗環(huán)境及光照條件下測(cè)量單根ZnO納米線的I-V特性，如圖3所示．線性I-V曲線說(shuō)明納米線和兩端電極之間形成了良好的歐姆接觸．ZnO納米線在紫外光照射下電流明顯升高，說(shuō)明ZnO納米線對(duì)紫外光具有很強(qiáng)的敏感性，此外，較高的開關(guān)比(～100)表明其光響應(yīng)性能良好．

圖2 ZnO納米線光致發(fā)光譜

圖3 室溫下暗環(huán)境及光照中ZnO納米線的I-V特性曲線

在源電壓1．5 V條件下，測(cè)量光電流隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，如圖4所示．在光響應(yīng)恢復(fù)階段，定義恢復(fù)時(shí)間τ為光電流恢復(fù)至最大值的1/e(37%)時(shí)所用的時(shí)間，測(cè)量數(shù)據(jù)表明恢復(fù)時(shí)間小于0．2 s．以上結(jié)果表明，ZnO納米線對(duì)紫外光有較好的光電導(dǎo)靈敏度，表現(xiàn)出優(yōu)良的“開”、“關(guān)”特性;展示了其在針對(duì)紫外輻射的光傳感器或光電開關(guān)器件等方面良好的應(yīng)用前景．

圖4 ZnO納米線光響應(yīng)曲線

將制作成功的ZnO納米線FET器件置于室溫暗環(huán)境下，利用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量了輸出特性曲線，即在不同柵壓下(Vg)，源漏電流電壓之間(Id-Vd)的關(guān)系，如圖5所示．從圖中可以看到，在正向區(qū)域，隨著柵壓的增加電流明顯增大，即導(dǎo)電性增加;在負(fù)向區(qū)域，情況則相反．這種高電導(dǎo)可能是由于柵壓的增加引起載流子濃度增加．由此可以進(jìn)一步佐證，ZnO納米線是典型的n型半導(dǎo)體．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柵壓對(duì)源漏電流具有調(diào)節(jié)作用，證明了單根納米線FET應(yīng)用的可能性．

圖5 單根ZnO納米線FET輸出曲線

3 結(jié)論

ZnO納米線樣品利用CVD方法合成，并通過(guò)掃描電鏡以及微區(qū)拉曼系統(tǒng)表征．采用微柵模板法制備歐姆接觸的光電器件．探究了單根ZnO納米線在紫外光照射下的光響應(yīng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZnO納米線對(duì)紫外光敏感，表現(xiàn)出良好的“開”、“關(guān)”特性;展示了其在紫外輻射光傳感器或光電開關(guān)器件等方面良好的應(yīng)用前景．單根ZnO納米線FET器件的測(cè)量結(jié)果顯示，柵壓對(duì)源漏電壓電流具有調(diào)節(jié)作用，預(yù)示了單根納米線FET的應(yīng)用前景．

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