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近年来,准一维半导体纳米结构(如纳米线、纳米带和纳米管等)的控制合成与光电子器件应用引起了人们的极大关注。它们具有单晶的晶体质量,以及优良的光电特性,既可以用于研究低维尺度下基本的物理过程,又可以作为组件构筑高性能的纳米光电子器件。对它们的研究,有望突破器件小型化的限制,在后摩尔定律时代获得重要应用,并得到新一代纳米光电子器件,从而对社会、科技的发展产生深远的影响。
硫化镉(CdS)是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,其室温禁带宽度为2.42eV,CdS薄膜与体材料已广泛应用于可见光探测、光伏等重要领域。CdS纳米结构具有许多迷人的性质,如随尺寸可调的发光波长、室温激光发射、高增益光电探测等。因此,CdS纳米结构的控制合成及其光电子器件应用的研究已成为纳米材料领域的研究热点之一。为实现其应用,利用掺杂控制其光电性质必不可少,但由于在纳米材料电学性质表征方面的困难,此方面的研究仍处于初步阶段,相关研究亟待开展。基于CdS纳米结构的光电子器件应用的研究也有待深入。
本论文对CdS纳米线的n型掺杂及其相关光电子器件进行了系统研究。首先利用Ⅲ族元素镓(Ga)实现了可控的CdS纳米线n型掺杂,然后分别制备了基于单根CdS纳米线的底栅和和顶栅结构纳米场效应晶体管,以此对掺杂CdS纳米线的光电特性,以及纳米器件的工作性能进行了深入研究。此外,还制备了CdS纳米线／硅(Si)基底复合纳米发光器件,实现了n型CdS在纳米发光领域的应用。取得的主要成果如下:
1、以CdS为生长源,Ga及Ga2O3的混合粉末作为蒸发源为掺杂源,利用气相蒸发的方法,在镀有金催化剂的硅片上大量合成了形貌均匀、材料表面平滑的Ga掺杂CdS(CdS:Ga)纳米线。进一步形貌与结构分析表明,纳米线直径在50-200 nm,长度在几十微米至上百微米之间变化,为单晶纤锌矿结构,生长方向沿[0001]晶面取向。通过控制掺杂源的比例,合成了不同Ga掺杂浓度的CdS纳米线,对单根纳米线的电学测试结果显示,随着掺杂浓度的提高,CdS纳米线的电导有明显提高,且电导率能在5个数量级内调控,说明此方法能够有效实现Ga掺杂n型CdS纳米线的合成。
2、以SiO2(300nm)／p+-Si衬底为衬底制备了CdS:Ga纳米线的底栅场效应晶体管(FETs),其中SiO2层和p+-Si基底分别作为场效应管的栅极绝缘层和栅极,而CdS:Ga纳米线则作为场效应晶体管的沟道。通过改变栅压,发现沟道电流随着栅压的增大而明显上升,呈现出n型沟道的典型特点,证明CdS:Ga纳米线确为n型导电。底栅结构FETs的性能较差,其阈值电压和跨导分别为-40V和2.3 nS:载流子的迁移率和亚阈值摆幅分别为2.1 cm2／Vs和816V／dec。
3、为进一步提高CdS:Ga纳米线场效应晶体管的性能,通过采用高电介质常数氮化硅(Si3N4)取代SiO2作为栅绝缘层,制备了高性能顶栅结构的CdS纳米场效应晶体管。测试表明顶栅FET的阈值电压、跨导和电流开关比分别为-0.3 V、1.07μS和5×106,相比于底栅场效应晶体管分别提高了100、500和4×106倍:载流子迁移率和亚阈值摆幅分别为241.6 cm2／Vs和114 mV／dec,相比于底栅场效应管分别提高了100和7×103倍。由此可见,通过改进器件工艺,优化器件结构,纳米场效应管的性能可以显著提高。
4、制备了CdS:Ga纳米线／p—Si基底的复合结构异质p-n结,发现其有良好的整流特性。通过在纳米线与Si基底两端施加约+5 V的开启电压,在CdS与Si基底的交界区,即p-n结区域可观察到黄色发光斑点,实现了基于n-CdS的纳米发光二极管(LEDs)的制备。