高性能磷摻雜硫化鎘納米帶場效應(yīng)管及其光電性能研究.pdf

1、硫化鎘(CdS)室溫下的禁帶寬度為2.4eV，是探測可見光的重要半導(dǎo)體材料之一，其獨(dú)特的光電學(xué)性質(zhì)及廣泛應(yīng)用前景引起了科技工作者的極大興趣。伴隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，針對CdS納米結(jié)構(gòu)的合成與性質(zhì)研究越來越深入，同時(shí)，基于CdS納米器件如光電二極管、傳感器和場效應(yīng)管及邏輯電路等的研究也備受關(guān)注。
　　 本文系統(tǒng)地研究了磷摻雜CdS納米帶場效應(yīng)管的電學(xué)及光學(xué)的性能。首先，采用熱蒸發(fā)的方法，合成磷摻雜CdS納米帶。然后制備出基于Cd

2、S：P納米帶的普通結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管，并對其電學(xué)性能進(jìn)行分析研究。隨后，采用高介電常數(shù)的柵極介質(zhì)和頂柵結(jié)構(gòu)的方法，分別制備出高性能納米器件，并對其光學(xué)及電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重點(diǎn)闡述了提高納米場效應(yīng)管器件性能的方法，對同類器件的制備及性能提高具有參考意義，有利于相關(guān)納米器件的實(shí)際應(yīng)用。取得的主要成果如下：
　　 1、采用熱蒸發(fā)的方法，以硫化鎘和磷粉作為蒸發(fā)源和摻雜源，硅片和金分別作為襯底和催化劑，合成了形貌均勻一致的磷摻雜硫化鎘納米

3、帶。對合成工藝參數(shù)，溫度、氣壓、氣流量及時(shí)間進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究，獲得了最佳的工藝條件。分析表明，用此方法合成的樣品為沿[001]面生長的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的納米帶，其寬度在0.5-1微米之間、厚度大約為30納米、長度在30-60微米之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此方法工藝簡單，成本低廉，能夠大量合成納米材料且能實(shí)現(xiàn)有效摻雜，同時(shí)，也可以通過適當(dāng)改變合成工藝參數(shù)有效調(diào)節(jié)樣品的形貌以獲得所需要的樣品。
　　 2、分別采用光刻法和MASK模板法兩

4、種方法制備了基于單根磷摻雜硫化鎘納米帶的底柵場效應(yīng)。兩種方法都采用表面帶有300nm厚的SiO2層的重?fù)诫sSi片作為基體，其中p+-Si和SiO2分別作為場效應(yīng)管的柵極和柵極絕緣層；磷摻雜CdS納米帶作為場效應(yīng)管的溝道；使用金屬銦制備場效應(yīng)管的源極和漏極，從而成功制備磷摻雜CdS納米帶底柵場效應(yīng)晶體管。
　　 3、系統(tǒng)研究了磷摻雜CdS納米帶底柵場效應(yīng)管的電學(xué)和光電學(xué)性能。電學(xué)性能測試表明制備的器件為n溝道場效應(yīng)管，CdS納米帶

5、的電導(dǎo)隨柵壓增加(或減小)而增加(或減小)，其跨導(dǎo)、載流子遷移率、閾值電壓和亞閾值擺幅分別為7.2nS、14.8cm2/Vs、-14.3V和25V/dec。光電測試結(jié)果顯示，磷摻雜CdS納米帶對可見光比較敏感，光照下電流為暗電流的10倍，且光譜響應(yīng)分析顯示波長小于517nm的光對CdS納米帶場效應(yīng)管的溝道電流有顯著提高。
　　 4、在300℃下對CdS納米帶底柵場效應(yīng)器件進(jìn)行十分鐘退火處理，能夠明顯改善器件性能。經(jīng)分析可知，退火

6、消除了納米帶和金屬電極的接觸勢壘，并激活了P的受主，因此電流比退火前提高了近一個(gè)數(shù)量級，其跨導(dǎo)gm=70nS，載流子遷移率μn=140cm2/Vs也提高了近10倍。
　　 5、采用高介電常數(shù)氧化鉿柵極介質(zhì)作絕緣層，構(gòu)造頂柵結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高磷摻雜CdS納米帶場效應(yīng)管的性能。通過三步精確定位光刻方法，制備具有30nm氧化鉿絕緣層的頂柵結(jié)構(gòu)CdS納米帶場效應(yīng)管。其跨導(dǎo)、載流子遷移率、電流開關(guān)比、閾值電壓和亞閾值擺幅分別為0.87μS、