電紡硼摻雜氧化銦場效應(yīng)晶體管的研究

湯 琪,王俊杰,劉國俠

(青島大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266071)

近年來,一維半導(dǎo)體納米纖維因具有大比表面積、高場效應(yīng)遷移率和靈活的機(jī)械柔韌性等優(yōu)點而成為研究的熱點[1-2]。通常一維半導(dǎo)體納米纖維采用電化學(xué)蝕刻、物理/化學(xué)氣相沉積、水熱合成等方法制備,但這些方法比較復(fù)雜且昂貴,不利于低成本電子器件的制備[3-7]。靜電紡絲工藝簡單、無高真空要求,適用于制備低成本、大面積、低損耗的電子器件。采用靜電紡絲方法制備的納米纖維具有直徑均勻、可連續(xù)制造等優(yōu)點,因此在傳感器和顯示電子等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[8-9]。

在眾多一維半導(dǎo)體納米纖維中,氧化銦納米纖維因其優(yōu)異的光學(xué)透明度、高電子濃度成為研究的熱點。然而基于氧化銦納米纖維集成的場效應(yīng)晶體管性能卻較差,包括大的關(guān)態(tài)電流和較差的偏壓穩(wěn)定性,其主要是由于氧化銦納米纖維中電子濃度過高導(dǎo)致[10-11]。因此,如何改善氧化銦納米纖維的電流調(diào)制能力成為了研究的重點。理論研究表明,選取離子半徑較小、有效核電荷較大、電負(fù)性較高的陽離子摻雜劑可以很好地調(diào)控器件性能。當(dāng)摻雜劑的離子半徑大于基體離子時,會破壞基體的晶體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生,從而使得器件性能劣化。Parthiban 等[12-14]提出,摻雜劑的路易斯酸值(L)以及與氧的結(jié)合能是實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵參數(shù)。高路易斯酸值能使電子遠(yuǎn)離氧的2p 價帶,減少電子散射,提高器件的場效應(yīng)遷移率。摻雜劑的強(qiáng)氧結(jié)合能力可以抑制氧空位的形成,提高器件的穩(wěn)定性[12,15]。

相對于已經(jīng)報道的鋁、鈦、鎘、鎂等摻雜元素[16],本研究選取的硼具有更高的路易斯酸值(10.709)、與氧結(jié)合能(808.8kJ/mol)、電負(fù)性(1.966)和較小的離子半徑(41 pm),能夠在不破壞氧化銦的晶格結(jié)構(gòu)或引入缺陷的前提下更好地調(diào)控氧化銦FET 的電學(xué)性質(zhì)[12,17]。鑒于此,本研究采用靜電紡絲法制備了銦硼氧納米纖維,并研究了以其為溝道層制備的FET 器件的性能以及摻雜劑的濃度對器件性能的影響。通過摻雜工藝改善了器件的關(guān)態(tài)電流和場效應(yīng)遷移率,從而獲得增強(qiáng)型的高性能場效應(yīng)晶體管。為滿足低功耗和低電壓器件的需求,使用氧化鋯代替二氧化硅作為介電層,集成了最優(yōu)摻雜濃度的銦硼氧納米纖維場效應(yīng)晶體管,并對場效應(yīng)晶體管的性能進(jìn)行了研究。

1 實驗

1.1 溝道層納米纖維的合成及器件制備

1.1.1 配制前驅(qū)體溶液

(1)配制銦硼氧納米纖維前驅(qū)體溶液:將不同配比的硼酸和氯化銦(即B/[In+B] 摩爾比分別為1%,3%,6%,9%)、2 g 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到10 mL 的N,N 二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中,配置成0.1 mol/L 的銦硼氧納米纖維前驅(qū)體溶液,常溫攪拌12 h至澄清透明溶液,靜置后備用。用IBxO (x為1%,3%,6%,9%)表示不同摻雜濃度的銦硼氧納米纖維。

(2)介電層氧化鋯前驅(qū)體溶液的配制:將0.644 g硝酸鋯加入到9.6 g 乙二醇甲醚(2-ME)溶劑中,配成0.15 mol/L 的氧化鋯前驅(qū)體溶液,常溫攪拌12 h 至澄清透明溶液,靜置后備用。

1.1.2 介電層的制備

本實驗采用SiO2和ZrOx兩種介電層。SiO2通過將重?fù)诫s的p-Si 放置在管式爐中,利用干氧氧化技術(shù)制備;ZrOx采用溶液法,利用針管將氧化鋯前驅(qū)體溶液旋涂在重?fù)诫s的p-Si 上,經(jīng)馬弗爐高溫煅燒制備。

1.1.3 納米纖維的制備

分別將SiO2和ZrOx的襯底放置在鋁箔包覆的收集板上,用針管抽取一定量的紡絲溶液后放置在紡絲機(jī)上,針頭距收集板15 cm,溶液流速為0.5 mL/h,在15 kV 的高壓下進(jìn)行紡絲,紡絲時間為15 s。紡絲過程示意圖如圖1 (a)所示。將收集到的納米纖維先在熱盤上經(jīng)150 ℃預(yù)退火10 min,經(jīng)UV 處理12 min 后放入500 ℃馬弗爐中退火2 h。

1.1.4 電極制作

將高溫煅燒后的樣品放置在掩膜版上,掩膜版溝道的寬長比為1000 μm ∶100 μm,通過熱蒸發(fā)儀器在真空中蒸鍍鋁制作源漏電極,其中重?fù)诫s的p-Si 襯底作為柵極。圖1 為FET 器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 (a) 靜電紡絲過程示意圖;(b) 晶體管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 (a) Schematic diagram of electrospinning process;(b) Diagram of transistor structure

1.2 分析測試方法

利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了納米纖維的表面形貌,采用X 射線衍射技術(shù)(XRD)研究了不同摻雜濃度的納米纖維的結(jié)晶特性。納米纖維場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能是利用半導(dǎo)體測試儀(Keithley-2634B)在常溫下暴露在空氣中進(jìn)行測試的。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維形貌及晶體結(jié)構(gòu)表征

由于紡絲過程中納米纖維的彎曲導(dǎo)致的不穩(wěn)定性,基板上收集到的納米纖維是隨機(jī)取向的。SEM 展示的分別是未摻雜和摻雜6%硼的納米纖維形貌圖,結(jié)果如圖2 所示,表明硼摻雜劑的引入對納米纖維的分布和形貌沒有明顯的影響。圖2(a)是未經(jīng)退火處理的摻雜6%硼的氧化銦納米纖維的形貌圖,納米纖維直徑為332.1 nm。從已有研究可知,納米纖維經(jīng)UV 照射后可以改善其與襯底的兼容性,減小接觸電阻[18]。圖6(b)和(c)是經(jīng)UV 照射和500 ℃高溫煅燒處理后未摻雜和摻雜6%硼的納米纖維形貌圖,納米纖維直徑分別減小到60.2 nm 和67.2 nm。納米纖維直徑的變化主要是由于經(jīng)UV 照射和500 ℃煅燒后納米纖維中有機(jī)物的分解以及納米纖維的致密化引起的[18-19]。

圖2 (a,d)未退火的IB6%O 納米纖維的SEM 圖及放大圖;(b,e) In2O3納米纖維和(c,f) IB6%O 納米纖維在UV 照射和500 ℃退火2 h 后的SEM 圖及放大圖Fig.2 (a,d)SEM image and enlarge view of primary composite IB6%O NWs;SEM images and enlarge view of (b,e)In2O3 NWs and (c,f) IB6%O NWs calcined at 500 ℃for 2 h after UV irradiation

圖3 為不同硼摻雜濃度的IBxO 納米纖維的X 射線衍射(XRD)圖譜。圖3 (a)中所有樣品均表現(xiàn)出具有立方相的In2O3,未發(fā)現(xiàn)金屬B、B2O3等雜質(zhì)相,其主要的衍射峰位于20.1°,30.58°,35.46°,51°,60.6°,對應(yīng)晶面指數(shù)為(211),(222),(400),(440),(541)[7]。但隨著硼濃度的增加,納米纖維的結(jié)晶度逐漸減弱,表明硼可以有效抑制氧化銦的結(jié)晶。對于多晶氧化銦來說,結(jié)晶度的降低會導(dǎo)致更多的晶界,且過量的摻雜劑離子將會形成更多的電離雜質(zhì)散射位點,從而妨礙納米纖維中的電子輸運(yùn),降低電導(dǎo)率[20-22]。圖3(b)是晶向(222)主峰的放大圖,隨著摻雜劑硼濃度的增加,(222)峰向大衍射角度方向移動,意味著In2O3晶體的晶格常數(shù)減小,這是由于摻雜劑B的離子半徑小于基體In 的離子半徑引起的晶格收縮導(dǎo)致的。

2.2 IBO 納米纖維器件性能分析

在熱氧化的SiO2上制備了不同硼摻雜濃度的IBxO納米纖維的場效應(yīng)晶體管,圖4 為其轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線。結(jié)果表明,硼的摻雜濃度從1%增加到9%時,晶體管的工作模式由耗盡型變?yōu)樵鰪?qiáng)型,晶體管的開啟電壓有明顯的正向偏移。當(dāng)硼的摻雜濃度為6%和9%時,器件工作在增強(qiáng)模式下,可以有效避免高功耗和復(fù)雜的電路設(shè)計[19]。隨著硼摻雜濃度從6%增加到9%,器件的場效應(yīng)遷移率從2.11 cm2·V-1·s-1降低到0.02 cm2·V-1·s-1。其原因是由于硼具有強(qiáng)的與氧結(jié)合能,減少了溝道層中氧空位含量,從而降低了電子濃度,但過量的硼摻雜劑會形成新的電子散射中心,導(dǎo)致場效應(yīng)遷移率下降[12]。對不同硼摻雜濃度下的IBxO 納米纖維場效應(yīng)晶體管器件的電學(xué)性能進(jìn)行比較,可得硼摻雜濃度為6%時,場效應(yīng)晶體管性能最優(yōu):高的開態(tài)電流371.3 μA,場效應(yīng)遷移率2.11 cm2·V-1·s-1,亞閾值擺幅1.56 V/decade,閾值電壓11.6 V 和開關(guān)比3.1×107。

圖4 (a)不同硼摻雜濃度的IBxO 納米纖維/SiO2 FET 的轉(zhuǎn)移特性曲線;(b) IB6%O 納米纖維/SiO2 FET 的輸出特性曲線Fig.4 (a) Transfer characteristics of IBxO NWs/SiO2 FET with different B doping concentrations (VDS=30 V);(b) Output characteristics based on IB6%O NWs/SiO2 FET

基于SiO2制備的納米纖維場效應(yīng)晶體管需要較大的工作電壓(>30 V),限制了其在低電壓電子設(shè)備的應(yīng)用,因此采用高k材料代替SiO2作為介電層[19]。采用溶液法制備的ZrOx,以最優(yōu)摻雜濃度的IBxO 納米纖維為溝道層制備了場效應(yīng)晶體管,其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5 所示,工作電壓為4 V,比在SiO2上制備的器件低15 倍,結(jié)果表明該器件可用于低電壓的電子設(shè)備。同時器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能:場效應(yīng)遷移率為3.75 cm2·V-1·s-1,亞閾值擺幅為80 mV/decade,閾值電壓為0.87 V,電流開關(guān)比為2×107?？梢?使用ZrOx代替SiO2作為介電層時,納米纖維場效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能有了明顯的改善。

圖5 IB6%O 納米纖維/ZrOx FET 的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.5 Transfer curves of IB6%O NWs FET based on ZrOx dielectrics

3 結(jié)論

通過靜電紡絲技術(shù)制備了以IBxO 納米纖維為溝道層的場效應(yīng)晶體管,比較了硼摻雜劑濃度對FETs 性能的影響。當(dāng)硼摻雜濃度為6%時,InB6%O/SiO2場效應(yīng)晶體管的工作模式為增強(qiáng)型,表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能,場效應(yīng)遷移率2.11 cm2·V-1·s-1,閾值電壓11.6 V,電流開關(guān)比3.1×107。采用旋涂法制備的ZrOx作介質(zhì)層時,集成的納米纖維場效應(yīng)晶體管的性能得到了進(jìn)一步的提高,場效應(yīng)遷移率為3.75 cm2·V-1·s-1,亞閾值擺幅為80 mV/decade,閾值電壓為0.87 V,電流開關(guān)比為2×107。研究表明,摻雜劑硼的引入能夠有效抑制氧化銦中的氧空位和電子濃度,提高納米纖維場效應(yīng)晶體管器件的場效應(yīng)遷移率,并降低器件的關(guān)態(tài)電流。