Bi2Se3纳米片生长及晶体管制备

陈 磊，王雨濛，俞金玲

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

拓扑绝缘体Bi2Se3是一种新型的量子功能材料，它不同于传统的导体和绝缘体，是近几年的研究热点之一[1]. 在最新的研究中，Bi2Se3纳米片被应用于红外探测器中，显示出非常高的开关比. 由于自旋轨道耦合，表面电子态的自旋和动量是锁定的，受到时间反演对称性的保护，具有超低损耗的状态，这些重要的特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的热电、 场效应晶体管、 光电器件、 太阳能电池和红外光谱等方面的发展中获得重要的应用，因此，拓扑绝缘体Bi2Se3有着巨大的应用潜力[2-6].

获得Bi2Se3薄膜的方法具有很多种，例如机械剥离[7]、 分子束外延[8]、 溶剂热合成法[9]、 金属有机物化学气相沉积法[10]和化学气相沉积法. 其中，运用分子束外延生长的Bi2Se3薄膜，晶格完整，厚度和尺寸可控，是完美的生长样品的方法，但因为成本较高，仪器昂贵，而较难实现[8]. 化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法实验简单，成本较低，可以生长出几纳米厚度的Bi2Se3薄膜[11].

纳米材料具有着尺寸小，比表面积大等优点. 将纳米材料应用到场效应晶体管中，可以充分发挥纳米材料的优势. 晶体管中的电子传输层使用Bi2Se3纳米片，也是研究Bi2Se3纳米片性能的一个很好的方法. 通过测试场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线，可以获得Bi2Se3纳米片晶体管的阈值电压、 开关比和载流子迁移率等参数. 通过对这些参数的分析，可以进一步了解Bi2Se3纳米片晶体管的性能，为拓扑绝缘体运用到器件上提供参考.

1 实验部分

本研究通过化学气相沉积的方法获得硒化铋纳米片. 该实验的方案如图1所示，将一根单通的石英管放入一根长为35 cm长的石英舟中，在石英舟的一端添加0.3 g Bi2Se3粉末(纯度为99.9999%)，在距离Bi2Se3粉末30 cm的位置铺满云母片. 准备工作完成后，抽真空，待石英管内的压强为4 Pa左右时，将石英管放入到中心温度为610 ℃的管式炉中，通入高纯度的Ar2，加热时间为15 min.

图1 化学气相沉积方法示意图Fig.1 Schematic diagram of the method of chemical vapor deposition

当石英管冷却，取出云母片. 在显微镜下观察云母片上纳米片. 在显微镜下，选择大小、 厚度合适的纳米片进行转移. 将纳米片转移到含有300 nm的SiO2的Si([111]方向)衬底上.

使用湿法转移. 首先在含有纳米片的云母上，以2 000 r·min-1的速度旋涂一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，在150 ℃加热3 min; 然后, 将云母片放到5%(质量分数)HF溶液中，用HF溶液腐蚀云母片，有助于PMMA形成的薄膜脱落[12-13]. 当在HF溶液中观察到样品表面的PMMA有脱离的迹象时，将云母片捞出，放置到去离子水中，待表面的PMMA薄膜自然脱落(由于PMMA的覆盖，HF溶液对纳米片的上表面没有影响). 薄膜脱落后，用去离子水反复清洗10次[14]. 再用干净的SiO2平整捞出薄膜，将薄膜放到充满高纯N2的手套箱中，等待其表面水分蒸发. 最后将SiO2放置到丙酮中，以去除表面的PMMA[15]. 转移的具体过程如图2所示.

图2 湿法转移的具体过程Fig.2 Specific process of wet transfer

在光学显微镜下，挑选长度大约为20 μm，厚度大约为10 nm的Bi2Se3纳米片进行光刻. 光刻过程中使用 9i的光刻负胶. 首先将光刻胶均匀旋涂在硅表面，然后在光刻机上将掩模版的电极图案与纳米片对准，曝光时间为16 s，最后进行显影，显影时间为40 s[16].

制作Cr/Au电极, 其中Cr厚度为10 nm，Au厚度为50 nm. 选择电子束蒸发方式，在同一个腔室里以0.1 nm·s-1的速度蒸发Cr和Au. 完成后需在丙酮溶液中浸泡3 min去胶[17].

使用激光显微拉曼光谱仪(LabRam HR Evolution，日本HORIBA公司)进行拉曼表征测试. 使用场发射扫描电子显微镜(NanoSEM 230，美国FEI公司)表征从云母上转移出来的Bi2Se3纳米片，得到透射电子显微镜(TECNAI G2F20，美国FEI公司)的低分辨图、 高分辨图、 选区衍射图和X射线能谱(EDS)； 使用半导体参数分析仪(4200 SCS，美国Keithley公司) 测量器件电学性能.

2 结果与分析

图3 拉曼光谱和X射线能谱仪的表征分析Fig.3 Characterization and analysis of Raman spectroscopy and X-ray energy spectrometer

为更好地了解Bi2Se3纳米片的结构，进行TEM表征. 图4(a)是低分辨率的TEM图片，可以看出纳米片的形状是三角形. 图4(b)是高分辨率的TEM，可以看见明显的晶格条纹，表明获得的纳米片晶体质量高. 通过计算，可以测得晶面之间的间距为0.21 nm. 图4(c)是选区衍射图，可见Bi2Se3的结构是六方对称[19].

器件的结构如图5(a)所示，电极沉积在三角形纳米片的两个角上，并分别作为晶体管的源极与漏极，在硅片底部涂上银浆作为栅极. 实物图如图5(b)所示. 为了减小晶体管的暗电流，提高晶体管的性能，将纳米片在高纯氩气的气氛下进行退火，即在300 ℃退火90 min[15]. 通过退火处理，暗电流将降低为原来的十分之一，表明退火处理可以减少器件中的缺陷.

在器件的制备过程中，电子束蒸发功率较大时，电极与纳米片的接触会较差，容易形成肖特基接触. 图5(c)为制备的晶体管的I-V特性曲线，可见其为肖特基接触. 当施加0～50 V的底栅电压时，源漏电流有所增大，但增大的幅度不大. 表明在纳米片与金属电极形成肖特基接触时，纳米片的输出曲线能够被底栅电压调控[20]，但是调控的效果不是很好，源漏电流幅值没有很大的变化，如图5(d)所示.

为了使纳米片与电极之间能够形成欧姆接触，在制备电极时，降低蒸发速率，从原来的0.5 nm·s-1降为0.2 nm·s-1. 图6(a)为降低电极蒸发速率后晶体管的I-V曲线，可见其电流与电压的关系呈线性关系，表明其为欧姆接触. 与图5(a)相比，可以看出，在同时加1 V电压的时候，欧姆接触的电流要比肖特基接触的电流大10倍. 图6(b)为纳米片晶体管的输出曲线. 底栅电压每增加10 V，源漏电流约增加0.5 μA，表明相对于肖特基接触的器件，其受底栅电压的调控更加有效. 图6(c)为晶体管的转移曲线，可见其开启电压约为-20 V[20]. 可见器件中仍存在较多的缺陷.

图6 具有欧姆接触的晶体管输出曲线和转移曲线Fig.6 Output and transfer curves of the transistor with Ohmic contact

在肖特基接触的晶体管中，纳米片与电极的界面上形成较高的势垒，从而使得电子的传输变得困难，调控效果变差，其能带图如图7(a)所示. 在欧姆接触的晶体管中，纳米片和金属的界面上没有形成电子势垒，从而有利于电子的传输，因此调控效果较佳，其能带图如图7(b)所示.

图7 肖特基接触和欧姆接触的能带图Fig.7 Band diagram of metal-semiconductor Schottky contact and Ohmic contact

3 结语

通过化学气相沉积的方法在云母片上生长Bi2Se3纳米片. 运用湿法转移的方法，将纳米片转移到表面为300 nm SiO2的硅衬底上. 通过微纳加工技术，在纳米片的两端制作电极，从而制备底栅调控的晶体管. 研究表明，当Bi2Se3纳米片与电极之间形成欧姆接触时，底栅的调控效果较好； 而当Bi2Se3纳米片与电极之间形成肖特基接触时，底栅的调控效果较差.