ZnO纳米场效应晶体管的制备和性能研究

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ZnO纳米带/线作为一种重要的准一维半导体材料,在光电,压电,传感以及透明电子等方面有广泛的应用前景。ZnO纳米场效应晶体管作为实现上述诸多应用的一种重要形式,具有极为特殊的研究价值。本文通过机械探针工艺,制备了背栅极顶接触ZnO纳米带/线场效应晶体管,围绕着晶体管的阈值电压和迁移率两个基本参数,开展了如下研究:1. ZnO纳米带场效应晶体管的阈值电压稳定性。利用ZnO纳米带较薄的厚度和单晶属性,从实验上验证了界面束缚电荷的存在,结合半导体沟道内较低的缺陷密度,器件阈值电压偏移后较长的恢复时间及偏压曲线,证明了束缚电荷的积累是由沟道载流子,在正栅压作用下,向SiO2绝缘层漂移造成的。此外,通过聚苯乙烯替代SiO2作为栅极绝缘层,有效避免了这种由正栅极电压引起的阈值电压不稳定性。2. ZnO纳米带和纳米线晶体管的迁移率分布差异来源。通过有限元数值计算证明了ZnO纳米带和纳米线晶体管平均迁移率的较大差异是由于平板电容(PPC)模型和平板上的金属圆柱体(MCIMP)模型对器件栅极电容的计算偏差。前者低估了纳米带栅极电容,相反地,后者高估了纳米线的栅极电容。这两个方面的相反的偏差使得ZnO纳米带的平均迁移率高出ZnO纳米线3倍。通过有限元方法的修正,纳米带和纳米线晶体管的场效应迁移率分别为101和84cm2V-1s-1。这一结果表明两种器件截面并未对晶体管迁移率造成重大的影响。3. ZnO纳米带场效应迁移率的各向异性。利用生长方向分别为[0110]和[044n](n=2~5)晶向,而带面皆为(2110)晶面的两类ZnO纳米带,制备场效应晶体管,统计发现两者平均电导率接近,但平均场效应迁移率却存在差异,分别为101和68cm2V-1s-1。这一差异的原因可能来自两个方面,一是因为纳米带(2110)晶面的表面振动态,产生的表面附加振动模式,增强了沿着[044n]晶向的压电电场和散射几率。另一方面,由于Zn原子排布的各向异性,使得沿着[044n]晶向较[0110]晶向的电子有效质量大,在晶体表面,由于单位距离的散射几率比体内大,增大了这两个方向的有效质量差异。
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