西安交大Nano Energy:ZnO薄膜晶体管中载流子浓度调制的压电电子学与压电光电子学效应

能源学人2020-09-15 15:45:23

【引言】

ZnO薄膜晶体管(TFT)因其具有较高的载流子迁移率、光学透明度、化学稳定性以及易于合成等特点而备受关注。此外,由于ZnO材料的禁带宽度为3.37 eV并且其在室温下具有高达60 meV的激子束缚能,ZnO TFT也能够用来作为检测紫外光的光电晶体管器件。然而,目前ZnO TFT的性能调控主要依赖于复杂的制备工艺流程控制,大大提升了制造成本并且降低了其与其他电子器件的可集成性。ZnO是一种同时具有半导体特性和压电特性的材料,通过利用其受到外加应变时在半导体器件界面处所产生的压电极化电荷,能够对半导体(光电)器件界面处(光生)载流子的产生、分离、输运以及复合等过程进行调控,从而有效地实现对半导体(光电)器件性能的有效调制,这些现象被称为压电电子学与压电光电子学效应。基于压电电子学与压电光电子学效应,可以实现对ZnO TFT性能的有效调控。


【成果简介】

近日,在西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院贺永宁教授和彭文博博士讲师的指导下,潘子健和李芳沛等研究成员通过改变制备工艺以及引入紫外光照等方法调节了ZnO TFT中ZnO薄膜的载流子浓度,首次在ZnO TFT中系统地研究了不同载流子浓度条件下的压电电子学与压电光电子学效应。研究结果表明,当载流子浓度适中(1016至1017cm^-3)时,ZnO TFT的载流子迁移率及其紫外光响应特性能够通过引入压电电子学与压电光电子学效应获得显著增强;然而当载流子浓度很低(小于1015 cm^-3)或很大(大于1018 cm^-3)时,压电电子学与压电光电子学效应则基本不起作用。这主要归因于ZnO材料中压电特性与半导体特性的竞争以及其内部载流子存在所导致的屏蔽效应。相关研究成果以“Carrier Concentration-Dependent Piezotronic andPiezo-Phototronic Effects in ZnO Thin-Film Transistor”发表在Nano Energy上(DOI:10.1016/j.nanoen.2018.05.005)。


【图文解析】

图1、载流子浓度对基于ZnO的Schottky结压电调制作用的影响


(a) 不同载流子浓度时ZnO内的有效压电电荷数量

(b) 不同载流子浓度时Schottky势垒高度的调节

(c) 不同载流子浓度时ZnO纳米线内压电电势的分布图

(d) ZnO纳米线下表面处压电电势随载流子浓度的变化

图2、ZnO纳米线TFT的基本特性

(a) ZnO纳米线TFT结构示意图

(b) ZnO纳米线TFT的剖面SEM照片

(c) ZnO纳米线TFT的输出特性曲线

(d) ZnO纳米线TFT的转移特性曲线

图3、ZnO纳米线TFT的压电电子学调制效应

(a) 不同外加应变下的转移特性曲线

(b) 阈值电压随外加应变的变化

(c) 载流子迁移率随外加应变的变化

(d) 载流子迁移率的相对变化量随外加应变的变化

(e) 压电电子学调制效应的工作机制示意图

(f) 压电电子学调制效应的能带图

图4、ZnO籽晶TFT的压电光电子学调制效应

(a) 外加紫外光照时不同外加应变下的转移特性曲线

(b) 不同紫外光强时光电流随外加应变的变化

(c) 不同紫外光强时光响应度随外加应变的变化

(d) 不同紫外光强时光响应度的相对变化量随外加应变的变化

(e) 压电光电子学调制效应的工作机制示意图

(f) 压电光电子学调制效应的能带图

图5、载流子浓度对ZnO TFT的压电电子学与压电光电子学调制效应影响的示意图


研究团队通过改变制备工艺和引入紫外光照调节了ZnO薄膜的载流子浓度,系统地研究了ZnO TFT中载流子浓度对压电电子学与压电光电子学效应的影响规律,通过外加应变有效地提高了载流子迁移率及其紫外光响应特性。这项研究成果不仅揭示了ZnO TFT中载流子浓度对压电电子学与压电光电子学效应影响的底层物理机制,也为ZnO TFT性能的有效调控提供了一种全新的思路。

 

ZijianPan; WenboPeng; FangpeiLi; YongningHe; Carrier Concentration-Dependent Piezotronic and Piezo-Phototronic Effects in ZnO Thin-Film Transistor (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.005)


【课题组简介】

贺永宁,西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院教授,博士研究生导师。主要从事纳米电子器件和微波无源器件等研究工作,致力于推进前沿探索研究和产学研合作。近20年来在纳米结构及其先进传感器方向聚焦氧化锌半导体纳米阵列、薄膜以及单晶器件的紫外探测和核辐射探测问题,长期探索实现了基于高阻ZnO的高性能紫外探测器件和纳秒脉冲X射线探测器件,在该方面承担了科技部重点专项子任务、多项国家自然基金项目等。开拓性地提出将微电子学领域先进微纳结构的制造方法应用于微波大功率无源器件的表面处理,将微波器件微放电阈值提高6dB之上;同期提出并探索微波无源器件射频电连接极弱非线性接触特性的建模研究,在国际上率先发表了微波无源器件因电接触导致的无源互调近似显性解析方程。在该方面曾承担并完成国防973项目3个专题及相关航天合作重点基金项目等。近年来带领课题组师生在Advanced Materials、IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Physics of Plasma、物理学报等国内外著名学术期刊上发表论文60余篇,申请国家发明专利8项。

 

贺永宁教授个人主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/yongning

 

彭文博,西安交通大学电子与信息工程学院微电子学院讲师,硕士研究生导师。已发表SCI论文30余篇,主要从事基于低维压电半导体材料的新型半导体光电器件、压电电子学与压电光电子学、摩擦电子学、摩擦纳米发电机、声表面波器件与传感器等研究工作。

 

彭文博讲师个人主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/wpeng33


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