具有高光开关比和高响应度的单根In₂O₃纳米线紫外光电晶体管

具有高光开关比和高响应度的单根In 2 O 3 纳米线紫外光电晶体管 Single In 2 O 3 Nanowire Ultraviolet Phototransistor with High Optical On-off Ratio and High Responsivity first-author 陈雪(1992－), 女, 吉林长春人, 博士研究生, 2015年于吉林师范大学获得学士学位, 主要从事纳米光电子器件方面的研究。E-mail:streamchen520@yahoo.com 陈雪 (1992－), 女, 吉林长春人, 博士研究生, 2015年于吉林师范大学获得学士学位, 主要从事纳米光电子器件方面的研究。E-mail: streamchen520@yahoo.com streamchen520@yahoo.com corresp WEI Zhi-peng, E-mail:zpweicust@126.com WEI Zhi-peng, E-mail:zpweicust@126.com 魏志鹏(1978－), 男, 吉林长春人, 博士, 教授, 博士研究生导师, 2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位, 主要从事半导体光电子器件方面的研究。E-mail:zpweicust@126.com 魏志鹏 (1978－), 男, 吉林长春人, 博士, 教授, 博士研究生导师, 2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位, 主要从事半导体光电子器件方面的研究。E-mail: zpweicust@126.com zpweicust@126.com 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022 State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China In 2 O 3 纳米线由于其独特性质而成为紫外光电探测器的潜力候选者，目前，In 2 O 3 纳米线基紫外光电探测器已被广泛研究，但较大的暗电流限制了其进一步应用。本文制备了In 2 O 3 纳米线紫外光电晶体管，通过背栅电压的调制作用，器件中的暗电流几乎被全部耗尽，同时，由于光照下的阈值偏移，栅压对光电流的影响较小。最终得到具有高光开关比（1.07×10 8 ）和高响应度（5.58×10 7 A/W）的单根In 2 O 3 纳米线紫外光电晶体管，性能明显优于之前报道的In 2 O 3 纳米结构光电探测器。本工作促进了In 2 O 3 纳米线在下一代纳米光电子器件和集成电路中的应用。 Owing to the unique properties, In 2 O 3 nanowires have become potential candidates for ultraviolet photodetectors. To date, In 2 O 3 nanowires-based UV photodetectors have been extensively studied. However, the large dark current limits its further applications. In this paper, a single In 2 O 3 nanowire ultraviolet phototransistor is performed. Through the modulation of the back gate voltage, the dark current is almost completely depleted. At the same time, the threshold voltage shows a shift under illumination, leading to little dependence between gate voltage and photocurrent. Finally, a single In 2 O 3 nanowire ultraviolet phototransistor with a high optical on-off ratio of 1.07×10 8 and a high responsivity of 5.58×10 7 A/W was obtained, which is better than the previously reported In 2 O 3 nanostructured optoelectronic devices. This work promotes the application of In 2 O 3 nanowires in the next generation of nano-optoelectronic devices and integrated circuits. In 2 O 3 纳米线 紫外 光电晶体管 响应度 In 2 O 3 nanowire ultraviolet phototransistor responsivity 引言 1 一维氧化铟(In 2 O 3 )纳米线由于具有优秀的化学稳定性、较宽的带隙、高光学透明性以及高场效应载流子迁移率，被认为是下一代电子器件、传感器、紫外光电器件的杰出候选者 [ 1 1 - 4 4 1-4 ] 。目前，基于In 2 O 3 纳米线的紫外光电探测器已被报道 [ 2 2 , 5 5 - 7 7 5-7 ] 。但是，由于其具有较大的暗电流，In 2 O 3 纳米线光电探测器通常表现出较小的光开关比，严重限制了光电探测器探测微弱信号的能力。 在先前的报道中，研究人员发现在基于In 2 O 3 纳米线的场效应晶体管中，其通常表现为耗尽型 [ 8 8 ] ，意味着场效应晶体管为常开器件，这也是In 2 O 3 纳米线紫外光电探测器暗电流较大的原因。通过场调制效应，可将晶体管由开态调整为关态，此时In 2 O 3 纳米线场效应晶体管将具有极低的输出电流。然而，目前报道的In 2 O 3 纳米结构光电晶体管性能较低 [ 9 9 ] ，这和光照下器件的光电流也被栅极电场抑制具有很大关系。 本文通过化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, CVD)生长了In 2 O 3 纳米线，并将其制备成In 2 O 3 纳米线光电二极管及光电晶体管。研究发现，通过场效应调制，In 2 O 3 纳米线中的暗电流几乎被全部耗尽，但光电流却没有明显降低，最终得到的光电晶体管在254 nm光照下具有高光开关比(~10 8 )、高响应度(5.58×10 7 A/W)和高比探测率(9.89×10 14 cm·Hz 0.5 ·W -1 )，性能优于In 2 O 3 纳米线光电二极管，同时高于之前报道的In 2 O 3 纳米结构光电探测器。研究结果充分表明了In 2 O 3 纳米线光电晶体管在光电探测领域的优越性，推进了其进一步应用。 实验 1 样品制备 2 通过CVD方法在卧式管式炉中生长In 2 O 3 纳米线。所用生长衬底为蒸镀有2 nm Au颗粒的纯Si衬底，所用药品为In 2 O 3 粉末和纳米碳粉，比例为10 :1。生长温度为1 050 ℃，生长时间为1 h，载气为Ar :O 2 (100 :2)混合气，气流量为200 mL/min。生长结束后继续通入混合气，直至衬底自然降温至室温。 器件的制备 2 采用物理转移法，将生长好的纳米线转移到带有定位标记的SiO 2 /Si衬底上(SiO 2 ~300 nm)，选取直径~100 nm的纳米线，通过微纳加工过程制备电极(Au/Cr~50 nm/15 nm)。具体步骤为：CAD画出电极图形；旋涂光刻胶(MMA/PMMA)；电子束光刻；显影；蒸金、剥离。制备好器件后，采用半导体参数分析仪对器件进行电学性能测试及光电性能测试，其中，光电性能测试所用光源为254 nm手提式紫外分析仪，光功率密度为0~0.178 mW/cm 2 。 结果与讨论 1 纳米线的基本表征 2 采用扫描电子显微镜(SEM)表征In 2 O 3 纳米线的形貌，如 图 1 图 1 所示。由SEM图像可见，生长好的样品存在大量较细直径的纳米线，同时也存在一定量较大直径的微米线。其中纳米线直径在70~120 nm范围内，同时具有数十微米的长度。 为便于后续器件制备，我们选取直径~100 nm的单根纳米线进行了微区拉曼测试，如 图 2 图 2 所示。可见纳米线在227.7 cm -1 和303.4 cm -1 处表现出两个明显的拉曼位移峰，分别来源于亚稳态刚玉结构In 2 O 3 和立方相In 2 O 3 [ 10 10 ] 。 In 2 O 3 纳米线光电二极管 2 采用微纳加工工艺将单根In 2 O 3 纳米线制备成光电二极管，器件结构示意图如 图 3(a) 图 3(a) 所示，其中，纳米线直径约为100 nm，沟道长度为2 μm。随后，对光电二极管在暗场和紫外光照(254 nm，0.178 mW/cm 2 )下的 I - V 特性进行表征，如 图 3(b) 图 3(b) 所示，其中插图为器件的SEM图像，比例尺为2 μm。可见器件在紫外光照下具有明显的光响应。 光开关比( I light / I dark )、响应度( R )和比探测率( D * )是衡量光电探测器探测能力的重要指标，其中光开关比定义为光电探测器所产生的光电流和暗电流的比值，光开关比和比探测率用于衡量探测器检测微弱信号的能力，响应度用于衡量探测器将光信号转换为电信号的能力。响应度和比探测率可通过下式计算得到 [ 11 11 - 13 13 11-13 ] ： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971054&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971054&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971054&type=middle http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971055&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971055&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971055&type=middle 其中 I light 是光电流， I dark 是暗电流， P 是光功率密度， A 是光敏区域， e 是电子电量。由 图 3(b) 图 3(b) 可知，虽然器件可以产生光电流，但是，由于此时光电二极管的暗电流较大，导致器件的光开关比很小(小于2)，因此难以区分噪声信号，不利于实现弱信号的探测。此外，计算了器件在不同电压下的响应度和比探测率，如 图 3(c) 图 3(c) 和 3(d) 3(d) 所示。可见器件的响应度和比探测率随偏压的变化而变化，并在1 V电压下达到峰值，此时，器件的光开关比为1.3，响应度为1.0×10 7 A/W，比探测率为1.98×10 14 cm·Hz 0.5 ·W -1 。由此可知，In 2 O 3 纳米线光电二极管虽然具有较高的光响应度，但其较大的暗电流限制了器件探测微弱信号的能力。因此，In 2 O 3 纳米线光电二极管不利于实际应用。 In 2 O 3 纳米线场效应晶体管 2 将In 2 O 3 纳米线制备成背栅型场效应晶体管，并对其进行基本电学特性表征。 图 4(a) 图 4(a) 和 4(b) 4(b) 分别为器件在 V ds =1 V下的转移特性曲线以及器件在不同栅压下的输出特性曲线，可见器件具有明显的场调制效应。 I ds 随着栅压的增加而增加，表明器件呈现出N型导电性，且具有极低的关态电流~ 10 -12 以及极高的开态电流~10 -5 ，开态电流和关态电流的比值高达10 7 ，表明其作为开关器件的应用潜力。此外，器件具有较为明显的回滞，回滞和器件中存在的界面态息息相关，器件具有回滞，表明其中存在较为明显的界面态 [ 11 11 ] 。器件的场效应迁移率( μ )和场诱导载流子浓度( n )可用下式计算 [ 14 14 ] ： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971056&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971056&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971056&type=middle 其中， g m 是器件的跨导，定义为 g m =d I ds /d V gs ； L 是沟道长度； C g 是背栅电容，为: http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971058&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971058&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971058&type=middle 其中 ε 0 是真空介电常数， ε r 是SiO 2 的相对介电常数， h 是氧化层厚度， r 为纳米线直径。载流子浓度可用下式计算： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971059&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971059&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971059&type=middle V th 是器件的阈值。计算得到器件的场效应迁移率约为121 cm 2 ·V -1 ·s -1 ，载流子浓度约为5.75× 10 17 cm -3 ( V gs =0)。 In 2 O 3 纳米线光电晶体管 2 为表明In 2 O 3 纳米线场效应晶体管作为光电晶体管的应用潜力，进一步测试了其作为光电晶体管的基本特性，如 图 5 图 5 所示。 图 5(a) 图 5(a) 为器件在暗场及254 nm、0.178 mW/cm 2 光照下的转移特性曲线( V ds =1 V)，可见，在光照下，器件具有较高的光电流。光电流虽然和栅压具有一定的依赖关系，但是，即便是在最强的反向栅压下，器件的光电流依然无法耗尽，导致器件具有极高的光开关比。为进一步比较器件性能与栅压的依赖关系，分析了在254 nm、0.178 mW/cm 2 光照下，器件光开关比、响应度和比探测率与栅压的依赖关系，如 图 5(b) 图 5(b) ~ (d) (d) 所示。 从图中可以看出，随着栅压的调制，器件的光开关比可高达10 8 ，明显优于In 2 O 3 纳米线光电二极管。此外，器件的光响应度和比探测率也随着栅压的变化而变化，但其变化幅度较弱，同时其峰值皆出现在-25 V栅压附近。对比此时的暗场转移特性曲线，场效应管并非处于关态，这和光照所导致的阈值电压偏移有关。光照下，器件阈值电压会向反向移动，导致最大光生电流不发生在暗场关态电压处，这将导致光开关比明显减小。此时，器件的光开关比为50，虽然数值较低，但仍不利于微弱光信号的检测。因此，为了同时得到优化的光电晶体管性能，应使光电晶体管工作于暗场关态电压处(-32.5 V)，此时，器件的光开关比为1.07×10 8 ，响应度为5.58×10 7 A/W，比探测率为9.89×10 14 cm·Hz 0.5 ·W -1 。光电晶体管性能明显优于光电二极管，同时，高于文献报道的In 2 O 3 纳米结构光电探测器，如 表 1 表 1 所示 [ 7 7 , 9 9 , 15 15 - 17 17 15-17 ] 。 材料 光开关比 响应度/(A·W -1 ) 比探测率/(cm·Hz 0.5 ·W -1 ) 参考文献 In 2 O 3 纳米线 ＜2 2.24×10 4 [ 7 7 ] In 2 O 3 纳米线 140 [ 15 15 ] 2D SnO/In 2 O 3 24 1 047 5×10 9 [ 9 9 ] In 2 O 3 /TiO 2 薄膜 799.5 1.1×10 12 [ 16 16 ] TiO 2 /In 2 O纳米线 11.17 3.14×10 14 [ 17 17 ] In 2 O 3 纳米线 1.07×10 8 5.58×10 7 9.89×10 14 本文 线性动态范围(LDR)( G LDR )也是衡量器件性能指标的重要参数，并可通过下式计算： http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971061&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971061&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=6971061&type=middle 其中 J ph * 是光强为0.178 mW/cm 2 时的光电流， J d 是暗电流 [ 18 18 ] 。为此测试了不同光照强度下In 2 O 3 纳米线光电晶体管的转移特性( V ds =1 V)，并给出光电流和光功率密度的依赖关系( V gs =-32.5 V)，如 图 6 图 6 所示。计算得到器件的LDR为160 dB，优于Si探测器(120 dB)和InGaAs探测器(66 dB) [ 18 18 ] 。 据报道，金属氧化物纳米线的缺陷态主要来源于纳米线表面的氧空位 [ 15 15 ] 。暗场下，吸附在纳米线表面的氧分子捕获了In 2 O 3 纳米线中的部分自由电子，从而形成负氧离子[O 2 (g)+ e - →O 2- ]，并在纳米线表面附近形成耗尽区，同时，背栅电场的调制作用将暗电流全部耗尽。光照下，光生电子-空穴对被耗尽区形成的内建电场分离，光生空穴运动到纳米线表面，释放负氧离子[ h + +O 2- →O 2 (g)]，导致氧的脱附，在氧分子的重吸收过程中，未与光生空穴复合的光生电子移向沟道并被电极收集，从而产生明显的光电流 [ 9 9 , 15 15 , 19 19 - 20 20 19-20 ] 。此外，在光照下晶体管内的载流子浓度增加，器件的阈值电压发生偏移，需要更大的反向栅压调制才能将载流子耗尽，而高的载流子浓度也会降低接触电阻，使更多的光生载流子被收集。因此，光电晶体管的高性能主要来源于纳米线表面氧分子的吸附和解吸，以及光照下场效应管阈值电压的偏移。 结论 1 本文制备了In 2 O 3 纳米线光电二极管，并对其基本光开关比、响应度和比探测率进行了分析。虽然光电二极管具有较高的光响应度，但是，器件的暗电流较大，光开关比很小，不利于微弱信号的探测。通过将其制备成光电晶体管，可通过栅压调制将暗电流全部耗尽，而对于光电流却影响较小。最终，在254 nm、0.178 mW/cm 2 光照下可得到光开光比为1.07×10 8 、响应度为5.58×10 7 A/W、比探测率为9.89×10 14 cm·Hz 0.5 ·W -1 的In 2 O 3 纳米线紫外光电晶体管，性能明显优于先前报道的In 2 O 3 纳米结构光电探测器，促进了In 2 O 3 纳米线光电晶体管的进一步应用。 参考文献 YU Y, LI W Q, WU P C, et al .. 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