Bi2Se3納米片生長及晶體管制備

陳 磊，王雨濛，俞金玲

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

拓?fù)浣^緣體Bi2Se3是一種新型的量子功能材料，它不同于傳統(tǒng)的導(dǎo)體和絕緣體，是近幾年的研究熱點之一[1]. 在最新的研究中，Bi2Se3納米片被應(yīng)用于紅外探測器中，顯示出非常高的開關(guān)比. 由于自旋軌道耦合，表面電子態(tài)的自旋和動量是鎖定的，受到時間反演對稱性的保護，具有超低損耗的狀態(tài)，這些重要的特征保證了拓?fù)浣^緣體將有可能在未來的熱電、 場效應(yīng)晶體管、 光電器件、 太陽能電池和紅外光譜等方面的發(fā)展中獲得重要的應(yīng)用，因此，拓?fù)浣^緣體Bi2Se3有著巨大的應(yīng)用潛力[2-6].

獲得Bi2Se3薄膜的方法具有很多種，例如機械剝離[7]、 分子束外延[8]、 溶劑熱合成法[9]、 金屬有機物化學(xué)氣相沉積法[10]和化學(xué)氣相沉積法. 其中，運用分子束外延生長的Bi2Se3薄膜，晶格完整，厚度和尺寸可控，是完美的生長樣品的方法，但因為成本較高，儀器昂貴，而較難實現(xiàn)[8]. 化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)方法實驗簡單，成本較低，可以生長出幾納米厚度的Bi2Se3薄膜[11].

納米材料具有著尺寸小，比表面積大等優(yōu)點. 將納米材料應(yīng)用到場效應(yīng)晶體管中，可以充分發(fā)揮納米材料的優(yōu)勢. 晶體管中的電子傳輸層使用Bi2Se3納米片，也是研究Bi2Se3納米片性能的一個很好的方法. 通過測試場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，可以獲得Bi2Se3納米片晶體管的閾值電壓、 開關(guān)比和載流子遷移率等參數(shù). 通過對這些參數(shù)的分析，可以進一步了解Bi2Se3納米片晶體管的性能，為拓?fù)浣^緣體運用到器件上提供參考.

1 實驗部分

本研究通過化學(xué)氣相沉積的方法獲得硒化鉍納米片. 該實驗的方案如圖1所示，將一根單通的石英管放入一根長為35 cm長的石英舟中，在石英舟的一端添加0.3 g Bi2Se3粉末(純度為99.9999%)，在距離Bi2Se3粉末30 cm的位置鋪滿云母片. 準(zhǔn)備工作完成后，抽真空，待石英管內(nèi)的壓強為4 Pa左右時，將石英管放入到中心溫度為610 ℃的管式爐中，通入高純度的Ar2，加熱時間為15 min.

圖1 化學(xué)氣相沉積方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of the method of chemical vapor deposition

當(dāng)石英管冷卻，取出云母片. 在顯微鏡下觀察云母片上納米片. 在顯微鏡下，選擇大小、 厚度合適的納米片進行轉(zhuǎn)移. 將納米片轉(zhuǎn)移到含有300 nm的SiO2的Si([111]方向)襯底上.

使用濕法轉(zhuǎn)移. 首先在含有納米片的云母上，以2 000 r·min-1的速度旋涂一層PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，在150 ℃加熱3 min; 然后, 將云母片放到5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HF溶液中，用HF溶液腐蝕云母片，有助于PMMA形成的薄膜脫落[12-13]. 當(dāng)在HF溶液中觀察到樣品表面的PMMA有脫離的跡象時，將云母片撈出，放置到去離子水中，待表面的PMMA薄膜自然脫落(由于PMMA的覆蓋，HF溶液對納米片的上表面沒有影響). 薄膜脫落后，用去離子水反復(fù)清洗10次[14]. 再用干凈的SiO2平整撈出薄膜，將薄膜放到充滿高純N2的手套箱中，等待其表面水分蒸發(fā). 最后將SiO2放置到丙酮中，以去除表面的PMMA[15]. 轉(zhuǎn)移的具體過程如圖2所示.

圖2 濕法轉(zhuǎn)移的具體過程Fig.2 Specific process of wet transfer

在光學(xué)顯微鏡下，挑選長度大約為20 μm，厚度大約為10 nm的Bi2Se3納米片進行光刻. 光刻過程中使用 9i的光刻負(fù)膠. 首先將光刻膠均勻旋涂在硅表面，然后在光刻機上將掩模版的電極圖案與納米片對準(zhǔn)，曝光時間為16 s，最后進行顯影，顯影時間為40 s[16].

制作Cr/Au電極, 其中Cr厚度為10 nm，Au厚度為50 nm. 選擇電子束蒸發(fā)方式，在同一個腔室里以0.1 nm·s-1的速度蒸發(fā)Cr和Au. 完成后需在丙酮溶液中浸泡3 min去膠[17].

使用激光顯微拉曼光譜儀(LabRam HR Evolution，日本HORIBA公司)進行拉曼表征測試. 使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(NanoSEM 230，美國FEI公司)表征從云母上轉(zhuǎn)移出來的Bi2Se3納米片，得到透射電子顯微鏡(TECNAI G2F20，美國FEI公司)的低分辨圖、 高分辨圖、 選區(qū)衍射圖和X射線能譜(EDS)； 使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(4200 SCS，美國Keithley公司) 測量器件電學(xué)性能.

2 結(jié)果與分析

圖3 拉曼光譜和X射線能譜儀的表征分析Fig.3 Characterization and analysis of Raman spectroscopy and X-ray energy spectrometer

為更好地了解Bi2Se3納米片的結(jié)構(gòu)，進行TEM表征. 圖4(a)是低分辨率的TEM圖片，可以看出納米片的形狀是三角形. 圖4(b)是高分辨率的TEM，可以看見明顯的晶格條紋，表明獲得的納米片晶體質(zhì)量高. 通過計算，可以測得晶面之間的間距為0.21 nm. 圖4(c)是選區(qū)衍射圖，可見Bi2Se3的結(jié)構(gòu)是六方對稱[19].

器件的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，電極沉積在三角形納米片的兩個角上，并分別作為晶體管的源極與漏極，在硅片底部涂上銀漿作為柵極. 實物圖如圖5(b)所示. 為了減小晶體管的暗電流，提高晶體管的性能，將納米片在高純氬氣的氣氛下進行退火，即在300 ℃退火90 min[15]. 通過退火處理，暗電流將降低為原來的十分之一，表明退火處理可以減少器件中的缺陷.

在器件的制備過程中，電子束蒸發(fā)功率較大時，電極與納米片的接觸會較差，容易形成肖特基接觸. 圖5(c)為制備的晶體管的I-V特性曲線，可見其為肖特基接觸. 當(dāng)施加0～50 V的底柵電壓時，源漏電流有所增大，但增大的幅度不大. 表明在納米片與金屬電極形成肖特基接觸時，納米片的輸出曲線能夠被底柵電壓調(diào)控[20]，但是調(diào)控的效果不是很好，源漏電流幅值沒有很大的變化，如圖5(d)所示.

為了使納米片與電極之間能夠形成歐姆接觸，在制備電極時，降低蒸發(fā)速率，從原來的0.5 nm·s-1降為0.2 nm·s-1. 圖6(a)為降低電極蒸發(fā)速率后晶體管的I-V曲線，可見其電流與電壓的關(guān)系呈線性關(guān)系，表明其為歐姆接觸. 與圖5(a)相比，可以看出，在同時加1 V電壓的時候，歐姆接觸的電流要比肖特基接觸的電流大10倍. 圖6(b)為納米片晶體管的輸出曲線. 底柵電壓每增加10 V，源漏電流約增加0.5 μA，表明相對于肖特基接觸的器件，其受底柵電壓的調(diào)控更加有效. 圖6(c)為晶體管的轉(zhuǎn)移曲線，可見其開啟電壓約為-20 V[20]. 可見器件中仍存在較多的缺陷.

圖6 具有歐姆接觸的晶體管輸出曲線和轉(zhuǎn)移曲線Fig.6 Output and transfer curves of the transistor with Ohmic contact

在肖特基接觸的晶體管中，納米片與電極的界面上形成較高的勢壘，從而使得電子的傳輸變得困難，調(diào)控效果變差，其能帶圖如圖7(a)所示. 在歐姆接觸的晶體管中，納米片和金屬的界面上沒有形成電子勢壘，從而有利于電子的傳輸，因此調(diào)控效果較佳，其能帶圖如圖7(b)所示.

圖7 肖特基接觸和歐姆接觸的能帶圖Fig.7 Band diagram of metal-semiconductor Schottky contact and Ohmic contact

3 結(jié)語

通過化學(xué)氣相沉積的方法在云母片上生長Bi2Se3納米片. 運用濕法轉(zhuǎn)移的方法，將納米片轉(zhuǎn)移到表面為300 nm SiO2的硅襯底上. 通過微納加工技術(shù)，在納米片的兩端制作電極，從而制備底柵調(diào)控的晶體管. 研究表明，當(dāng)Bi2Se3納米片與電極之間形成歐姆接觸時，底柵的調(diào)控效果較好； 而當(dāng)Bi2Se3納米片與電極之間形成肖特基接觸時，底柵的調(diào)控效果較差.