单根ZnO纳米线的光敏及场效应管性质研究*

唐欣月，张 锷，高 红

(哈尔滨师范大学)

0 引言

作为Ⅱ-Ⅶ族宽带半导体材料，ZnO带隙为3．37 eV，室温下激子束缚能较高(60 meV)［1］，ZnO纳米材料应用广泛，尤其在光电子领域具有巨大的应用潜力和广阔的应用前景．此外，ZnO还具有压电效应、高的热稳定性、气敏特性和生物兼容性，使得它在生物医学、军事、无线通信和传感方面都具有重要的应用价值．

由于具有独特的表面效应等特征，一维纳米结构会表现出比体材料更好的发光、导电和光电等性能．人们已经用一维ZnO纳米材料制作出多种器件，如紫外探测器［2-5］、太阳能电池［6-7］、场效应管［8-11］等等．而作为重要的基础电子元件之一，场效应晶体管(FET)虽早已见报道［12-15］，但多数以薄膜为主．薄膜晶体管虽有诸多优点，但薄膜易形成非晶体，由此导致迁移率相对不高．但迁移率是FET性能的重要衡量参数，因此，纳米线和纳米带是制作FET器件的优良材料．本实验中，ZnO纳米线样品利用CVD方法合成，并对其形貌结构进行表征，采用微栅模板法制备欧姆接触的电极及FET器件，探究了单根ZnO纳米线在紫外光照射下的光响应情况以及FET基本性能．

1 实验

ZnO纳米线采用CVD方法合成．在清洗后的Si片上溅射一层2 nm厚的金膜作为基底．以In单质为前驱物置于刚玉舟上游，基底置于舟下游部位，并将刚玉舟放入高温管式炉中，使前驱物处于炉内最高温度处．将管式炉加热至1300℃恒温1．5 h，然后停止加热．其间持续通入高纯氮气并保持流量为200 sccm，炉内压强维持在100 Pa．待管式炉自然冷却至室温后取出刚玉舟，在基底上生长的一层白色絮状物为合成样品．

合成样品的微观结构和化学组分由扫描电镜(FE-SEM，S-4800，Hitachi)表征．用325 nm He-Cd激光为激发源的微区拉曼系统(JY0HR 800，France)记录ZnO纳米线的光致发光(PL)谱．样品的室温电学特性和光响应由半导体参数测试仪(Agilent B1500A)测量，且光响应测试中以325 nm He-Cd激光为激发光源．

利用微栅模板法［16］制作单根ZnO纳米线的光敏及FET器件．关于FET器件的制作，选用表面有300 nm SiO2栅绝缘层的p型Si片作为衬底，先用稀释过的氢氟酸腐蚀掉衬底背面的氧化物［16］，然后将单根纳米线从生长基底转移到Si衬底上．采用真空镀膜方法在衬底背面沉积上背栅电极［17］，再用相同方法，在纳米带两端沉积上相距20 μm的源漏电极;电极均由80 nm Ti金属层和100 nm Au金属层组成［18-19］．撤去微栅后，将器件置于500℃温度环境中退火5 min，过程中持续通入高纯氮．实验结果显示，退火有效地改善了纳米线与电极之间的接触．用Ag丝作引线进行电学性质测量．

2 结果与讨论

样品形貌的SEM图像如图1(a)所示，可以看出纳米线长度约为几十微米，且形貌均匀、产量很高．图1(b)为跨Ti/Au电极两端的纳米线的SEM图．

图1 样品形貌的SEM图

图2为室温下测得的ZnO纳米线的光致发光谱．图谱显示，除380 nm附近的近带边紫外发光峰外，还存在与样品中氧空位有关［20］的相对弱的可见发光峰(550 nm附近)．弱的可见发光峰说明样品结晶质量良好．

为探究ZnO纳米线的光响应特征．分别在暗环境及光照条件下测量单根ZnO纳米线的I-V特性，如图3所示．线性I-V曲线说明纳米线和两端电极之间形成了良好的欧姆接触．ZnO纳米线在紫外光照射下电流明显升高，说明ZnO纳米线对紫外光具有很强的敏感性，此外，较高的开关比(～100)表明其光响应性能良好．

图2 ZnO纳米线光致发光谱

图3 室温下暗环境及光照中ZnO纳米线的I-V特性曲线

在源电压1．5 V条件下，测量光电流随时间变化的响应曲线，如图4所示．在光响应恢复阶段，定义恢复时间τ为光电流恢复至最大值的1/e(37%)时所用的时间，测量数据表明恢复时间小于0．2 s．以上结果表明，ZnO纳米线对紫外光有较好的光电导灵敏度，表现出优良的“开”、“关”特性;展示了其在针对紫外辐射的光传感器或光电开关器件等方面良好的应用前景．

图4 ZnO纳米线光响应曲线

将制作成功的ZnO纳米线FET器件置于室温暗环境下，利用半导体参数测试仪测量了输出特性曲线，即在不同栅压下(Vg)，源漏电流电压之间(Id-Vd)的关系，如图5所示．从图中可以看到，在正向区域，随着栅压的增加电流明显增大，即导电性增加;在负向区域，情况则相反．这种高电导可能是由于栅压的增加引起载流子浓度增加．由此可以进一步佐证，ZnO纳米线是典型的n型半导体．实验结果表明，栅压对源漏电流具有调节作用，证明了单根纳米线FET应用的可能性．

图5 单根ZnO纳米线FET输出曲线

3 结论

ZnO纳米线样品利用CVD方法合成，并通过扫描电镜以及微区拉曼系统表征．采用微栅模板法制备欧姆接触的光电器件．探究了单根ZnO纳米线在紫外光照射下的光响应情况，实验结果表明，ZnO纳米线对紫外光敏感，表现出良好的“开”、“关”特性;展示了其在紫外辐射光传感器或光电开关器件等方面良好的应用前景．单根ZnO纳米线FET器件的测量结果显示，栅压对源漏电压电流具有调节作用，预示了单根纳米线FET的应用前景．

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