（微电子学与固体电子学专业论文）p型准一维硫化锌纳米结构可控掺杂及纳米异质结器件的研究.pdf

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： ( 工作单位、职称) 主席：励竺丫阐绯恂徘吕降灸 委员：沙汽，胁，哆砚鼢咯也 矽为铟艺缈讲吨纫呼艮 i 导厩掮娄祧触蹦碱吼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：习火签字日期：力睁伊节 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金g 臣王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位敝者繇玛久 替醐洲月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：群桫 解醐洲产呷日 p 型准一维硫化锌纳米结构可控掺杂及纳米异质结器件的研究 摘要 近年来，准一维纳米结构成为当今纳米科学的研究热点。它们既可以作为模型材 料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器件。对 它们的研究，将触发新一代光电子器件的产生，给科技发展带来深远影响。 硫化锌是( z n s ) 一种重要的i i v i 族宽禁带半导体材料，有禁带宽度为3 7 2 e v 的 闪锌矿结构和禁带宽度为3 7 7 e v 的纤锌矿结构，它在电致发光、光致发光、平板显 示、红外窗口和激光等方面有着广泛应用。基于特殊的光电性质，准一维z n s 纳米结 构的研究备受瞩目，然而要实现其应用，需要利用掺杂控制其光电性质，但由于在纳 米材料电学表征方面的困难，此方面的研究仍处于初步阶段，而且本征z n s 电导很低， 自补偿效应导致其出现弱1 1 型特征，要实现准一维z n s 纳米结构的p 型掺杂相比1 1 型 掺杂更为困难，所以相关研究亟待开展。 本论文对准一维z n s 纳米结构的p 型掺杂及相关光电子器件进行了系统研究。首 先利用v 族元素s b 实现了可控的z n s 纳米带纳米线的p 型掺杂，然后制备了基于 z n s 纳米带的底栅场效应管、肖特基二极管、肖特基栅极场效应晶体管，基于z n s 纳 米线与硅的异质结以及结型场效应晶体管，以此对掺杂z n s 纳米带纳米线的基本性 质，以及纳米器件的工作性能做深入研究。取得的主要成果如下： 1 以单质s b 粉为掺杂源，z n s 粉为生长源，利用热蒸发的方法，在镀有金催化 剂的硅片上生长s b 掺杂z n s ( z n s ：s b ) 纳米带。为得到不同掺杂浓度的产物，分别选择 z n s 与s b 的摩尔配比为2 ：l 和l ：1 进行实验。所合成的纳米带表面平滑，形貌均匀， 宽度在2 0 0 4 0 0 n m ，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 2 1 0 方向。s b 掺杂z n s 纳米带的光致发光谱在5 2 0 n m 附近出现一个绿光发光 带，且发光强度随掺杂浓度的升高而增大，这表明s b 掺杂对z n s 纳米带产生影响， 绿光发光带来源于锌空位，掺杂之后锌空位数目上升，掺杂浓度越高锌空位数越多， 所以绿光发光带的发光强度越强。对单根纳米带的电学测试结果显示，随着掺杂浓度 的提高，z n s 纳米带的电导明显提高，电导率能在7 个数量级内调控。改变温度与气 压条件，s b 掺杂z n s 纳米线也通过热蒸发法制备得到。 2 以s i 0 2 ( 3 0 0 n m ) p 型硅衬底为衬底制备了s b 掺杂z n s 纳米带的底栅场效应晶 体管( f e t s ) ，其中s i 0 2 层和p 型硅基底分别作为场效应管的栅极绝缘层和栅极，而 s b 掺杂z n s 纳米带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 栅压的减小而明显上升，呈现出p 型沟道的典型特点，证明s b 掺杂z n s 纳米带为p 型半导体。随s b 掺杂浓度的升高，底栅场效应管的跨导由0 4 n s 变化至8 6 4 n s ，空 穴载流子迁移率由0 2c m 2 v d s 以变化至2 2 3c m 2 v o s ，空穴浓度由9 6 x 1 0 1 6t i l l 3 变化至6 5 x 1 0 c m 一。 3 为进一步研究s b 掺杂z n s 纳米带的应用，利用金属铝作为肖特接触，制备了 z n s 纳米带肖特基势垒二极管及肖特基栅极场效应管晶体管。测试表明肖特基势垒二 极管展现出良好的整流特性，整流比高于1 0 7 ，器件的理想因子为1 2 2 ，势垒高度为 0 7 1 e v ，较小的理想因子说明基于s b 掺杂z n s 纳米带的肖特基势垒二极管的性能已 接近理想状态。所制备的肖特基二极管还表现出紫外响应特性，正向电压下的明暗电 流比为3 ，紫外光电导增益为1 5 1 0 5 ：负向电压下的的明暗电流比大于1 0 2 ，紫外光 电导增益为2 9 7 。z n s 纳米带的肖特基栅极场效应管晶体管也具有很好的器件性能， 开关比高达1 0 0 ，亚阈值摆幅为2 3 6 m v d e c 。 4 制备了p 型z n s 纳米线与1 1 型硅的核壳结构异质结与交叉结结构异质结，发 现这两种结构的异质结都有很好的整流特性，整流比均高于1 0 4 。核壳结构中，调节p 型z n s 与n 型硅的势垒，可以控制z n s 纳米线的电流输出，由此得到了结型场效应晶 体管。 关键词：p 型z n s 纳米带纳米线；s b 掺杂；场效应晶体管；肖特基势垒二极管； 异质结 c o n t r o l l a b l ed o p i n g n a n o s t r u c t u r e s o fp 一坶p eq u a s i o n ed i m e n s i o n a lz n s ivi 1 一 a n ( ii t sa p p l i c a t i o ni nn a n o c a l e h e t e r o ju n c t i o nd e v i c e s a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h eq u a s i - o n ed i m e n s i o n a ln a n o s t r u e t u r e sh a v eb e c o m e r e s e a r c hh o t s p o to fn a n o - s c i e n c e t h e y c a ns e r v ea sb o t hm o d e lm a t e r i a l sf o r u n d e r s t a n d i n gf u n d a m e n t a lp h y s i c a lp h e n o m e n aa n df o rc o n s t r u c t i n gn a n o s c a l e d e v i c e sw i t h i m p r o v e dp e r f o r m a n c e s n a n o s t r u c t u r e sm a yl e a dt ot h er e a l i z a t i o n s t u d i e so nt h e q u a s i o n e d i m e n s i o n a l o fn e w g e n e r a t i o no p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s a n dt h e r e b yh a sag r e a ti n f l u e n c eo nd e v e l o p m e n ti ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y z n si sa ni m p o r t a n ti i v is e m i c o n d u c t o rw i t hb r o a db a n d g a p ，i n c l u d i n gc u b i c b l e n dw i t hb a n d g a po f3 7 2 e va n d h e x a g o n a lw u r t z i t ew i t hb a n d g a po f3 7 7 e v , a n d i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ne l e c t r o l u m i n e s c e n c e ，p h o t o l u m i n e s c e n c e ，f l a tp a n e l d i s p l a y s ，i n f a r e dw i n d o w s ，a n dl a s e r s ，e t c s t u d i e so nt h eq u a s i o n ed i m e n s i o n a l z n sn a n o s t r u c t u r e sh a v ec a u s e dg r e a ta t t e n t i o nd u et ot h e s p e c i a lp h o t o e l e c t f i e p r o p e r t i e s h o w e v e r , t h er e a l i z a t i o no fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so ft h eq u a s i o n e d i m e n s i o n a lz n sn a n o s t r u c t u r e s d e p e n d s o n c o n t r o l l i n g t h e i r p h o t o e l e c t r i c p r o p e r t i e sv i aa p p r o p r i a t ed o p i n g d o p i n gi nz n sn a n o s t r u c t u r e si sn o ws e l d o m s t u d i e sd u et ot h e d i f f i c u l t y i nc h a r a c t e r i z a t i o no ft h e i re l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ， f u r t h e r m o r e ，t h es e l f - c o m p e n s a t i o nm a k e sz n ss h o ww e a kn t y p en a t u r e r e s u l t si n t h em o r eo b s t a c l e si np - t y p ed o p i n gc o m p a r e dw i t hn t y p ed o p i n gi nt h e q u a s i o n e d i m e n s i o n a lz n sn a n o s t r u c t u r e s b a s e do na b o v es i t u a t i o n ，t h er e l e v a n tr e s e a r c h e s n e e dt ob ed e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep e r f o r mac o m p r e h e n s i v es t u d yo nt h ep - t y p ed o p i n gi n t h eq u a s i o n ed i m e n s i o n a lz n sn a n o s t r u c t u r e sa n dt h er e l e v a n to p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s e f f i c i e n tp - t y p ed o p i n gi nz n sn a n o r i b b o n s n a n o w i r e sw a sf i r s ta c c o m p l i s h e db y u s i n gv - g r o u pe l e m e n ts ba st h ed o p a n t t h e nt h eb a c k g a t ef i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s ( f e t s ) ， s c h o t t k y b a r r i e r d i o d e s ， h e t e r o j u n c t i o n sa n dj u n c t i o nf i e l d e f f e c t s c h o t t k y g a t e f i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r s ， t r a n s i s t o r sw e r ef a b r i c a t e db a s e do nt h e s i n g l ez n s ：s bn a n o r i b b o n so rn a n o w i r e st os t u d yi t sf u n d a m e n t a lp r o p e r t i e sa n d e x p l o i ti t sa p p l i c a t i o n si nh i g h - p e r f o r m a n c en a n o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h em a i n r e s u l t sw eo b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： 1 s b - d o p e dz n sn a n o r i b b o n si nal a r g ea m o u n tw e r es y n t h e s i z e db y u s i n gs b p o w d e ra st h ed o p a n tr e s o u r c e sv i at h e r m a le v a p o r a t i o no nt h es i l i c o ns u b s t r a t e s c o v e r e dw i t ha uc a t a l y s t i no r d e rt og e tt h ep r o d u c t sw i t hv a r i e dd o p i n gl e v e l ，t h e s y n t h e s i sw a sc o n d u c t e dw i t hd i f f e r e n tz n s ：s bm o l a rr a t i oo f2 ：la n d1 ：1 ， r e s p e c t i v e l y a s - s y n t h e s i z e dn a n o r i b b o n sh a v es i n g l ec r y s t a lw u r t z i t es t r u c t u r e w i t h 【210 】g r o w t ho r i e n t a t i o n ，w i t hw i d t hi nt h er a n g eo f2 0 0 - 4 0 0n ma n dl e n g t hu p t os e v e r a lt e n so fm i c r o m e t e r s ab r o a dg r e e ne m i s s i o na t5 2 0a m ，o fw h i c ht h e i n t e n s i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c e a s i n go fd o p i n gl e v e l ，w a sa p p e a r e di nt h ep l s p e c t r ao fs b - d o p e dz n sn a n o r i b b o n s t h ec h a n g ei nt h ei n t e n s i t yi n d i c a t e dt h a t z n sn a n o r i b b o n sh a sb e e ni m p a c t e db ys bd o p i n g t h en u m b e ro fz i n cv a c a n c i e s t h a ti st h es o u r c eo ft h eg r e e ne m i s s i o nw a sl a r g e ra th i g h e rd o p i n gl e v e l ，t h u s l e a d i n gt ot h eh i g h e ri n t e n s i t yo fg r e e ne m i s s i o n m e a s u r e m e n t so nt h es i n g l e n a n o r i b b o n ss h o wt h a tt h ec o n d u c t i v i t yo ft h e z n s ：s bn a n o r i b b o n sw a sr e m a r k a b l y i n c r e a s e dc o m p a r e dt ot h eu n d o p e dz n sn a n o r i b b o n s t h ec o n d u c t i v i t yc a nb e t u n e di naw i d er a n g eo fs e v e no r d e r so fm a g n i t u d eb ya d ju s t i n gt h es bd o p i n g c o n c e n t r a t i o n t h es b - d o p e dz n sn a n o w i r e sw e r ea l s o s y n t h e s i z e db yt h e r m a l e v a p o r a t i o nv i aa d j u s t i n gt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e 2 b a c k - g a t en a n o f e t sw e r ef a b r i c a t e df r o mt h ez n s ：s bn a n o r i b b o n sb yu s i n g t h es i 0 2 ( 3 0 0 n m ) p + - s ia st h es u b s t r a t e z n s ：s bn a n o r i b b o n ，s i 0 2l a y e r ，a n dt h e p 十一s is u b s t r a t es e r v e da st h ec o n d u c t i o nc h a n n e l ，g a t ed i e l e c t r i c ，a n dg a t ee l e c t r o d e ， r e s p e c t i v e l y , i nt h en a n o f e t t h ec o n d u c t a n c eo ft h en a n o r i b b o ni n c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s i n g o f g a t ev o l t a g e ，d e m o n s t r a t i n gt h ep - t y p e n a t u r eo ft h ez n s ：s b n a n o r i b b o n s w i t ht h ei n c r e a s i n go fd o p i n gl e v e l ，t h et r a n s c o n d u c t a n c e ，h o l e m o b i l i t ya n dh o l ec o n c e n t r a t i o nv a r i e df r o m0 4 n s ，0 2c m 2 v 。卜s1 a n d9 6 1 0 1 6 c m 3t o8 6 4 n s ，2 2 3c m 2 v i s 。l ，a n d6 5 x 1 0 1 8c m 。3 ，r e s p e c t i v e l y 3 t h es b d sa n ds c h o t t k y - g a t ef e t sw e r ef a b r i c a t e df r o mt h ez n s ：s b n a n o r i b b o nb y u s i n g a ia s s c h o t t k yc o n t a c t i no r d e rt of u r t h e re x p l o i ti t s a p p l i c a t i o n m e a s u r e m e n t sr e v e a lt h a tt h es b d sh a v eam 曲r e c t i f i c a t i o nr a t i o 1 0 7 ，a s m a l li d e a l i t yf a c t o r1 2 2a n das c h o t t k yb a r r i e rh e i g h to 7 1 e v t h es m a l li d e a l i t y i n d i c a t e dt h a tt h ed e v i c ep e r f o r m a n c ea p p r o a c h e dt h ei d e a l t h es b d sp o s s e s s e dag o o d r e s p o n s et ou l t r a v i o l e t - l i g h tw i t ha 石i g h 旭a f i 【r a t i o3a n dap h o t o c o n d u c t i v eg a i n1 5 10 i n t h ef o r w a r db i a s ，w i t ha l i g h t l i 淑r a t i o 1 0 。a n dap h o t o c o n d u c t i v eg a i n2 9 7i nt h e r e v e r s eb i a s i na d d i t i o n ，t h es c h o t t k y - g a t ef e t sb a s e do nz n s ：s bn a n o r i b b o na l s o e x h i b i t e d e x c e l l e n td e v i c ep e r f o r m a n c ew i t ha o n o f fr a t i o10 0a n das u b t h r e s h o l d s w i n g ( s ) 2 3 6 m v d e e 4 c o r e s h e l lh e t e r o j u n c t i o n sa n dc r o s sh e t e r o j u n c t i o n sw e r ef a b r i c a t e db yp - t y p ez n s n a n o w i r e sa n dn - t y p es i ，r e s p e c t i v e l y t h e yb o t hs h o war e m a r k a b l er e c t i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i cw i t ht h er e c t i f i c a t i o nr a t i oo f10 4 i nt h ec o r e s h e l ls t r u c t u r e ，t h ec u r r e n t o u t p u ti nz n sn a n o w i r e sc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h eb a r r i e rb e t w e e np - t y p ez n s n a n o w i r e sa n d n - t y p es i ，r e s u l t i n gi nt h ec o n s t r u c t i o no f j u n c t i o nf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r s k e y w o r d s ：p - t y p ez n sn a n o r i b b o n s n a n o w i r e s ；s bd o p i n g ；f i e l d e f f e c tt r i n s i s t o r s ； s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s ；h e t e r o j u n c t i o n s 致谢 本论文是在导师揭建胜研究员的悉心指导和关怀下完成的，从课题的选定、 文献资料的收集、开题报告的准备及论文写作的指导揭老师都倾注了大量心血， 在此对导师揭建胜研究员表示衷心的感谢! 时光如梭，转眼三年的研究生生涯即将结束。三年来，揭老师深厚的学术 底蕴，严谨的治学态度，敏锐的洞察力，以及认真勤奋的工作作风深深地影响 着我，让我不仅学到了系统的科研方法，而且还养成了认真做事、踏实做人的 品格，这对我来说是一笔巨大的无形财富，将受用终生。 当然在我研究生三年的学习生活中，我还要将我的谢意送给实验室的同窗 挚友吴翟、胡治中、张希威、蔡家骏、谢超、王志、江鹏。正是大家共同在学 业上相互协作、在生活上团结友爱，才使得我的学习生涯过得充实而朝气蓬勃。 此外还要感谢本实验室吴春艳、王莉、汪壮兵、于永强、郭慧尔等老师，在研 究生期间得到了他们孜孜不倦的教导，使我获益良多。 最后，特别感谢我的家人一直以来对我无微不至的关爱，以及对我的学业 始终如一的支持! 作者：彭强 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论。1 1 1 纳米材料简介1 1 1 1 纳米材料的概念、发展及其分类。1 1 1 2 纳米材料的基本性质2 1 1 3 一维z n s 纳米结构。2 1 2 纳米器件的研究及应用5 1 2 1 纳米器件的发展及研究现状5 1 2 2z n s 纳米器件9 1 3 本课题的研究意义l l 第二章o - z n s 纳米带的制备及表征 1 2 2 1 一维纳米结构生长方法1 2 2 1 1 气相机理生长1 2 2 1 2 液相机理生长。1 3 2 1 3 模板法。1 4 2 2 实验药品与实验设备1 4 2 2 1 实验药品。1 4 2 2 2 实验设备1 5 2 3p - z n s 纳米带的制备1 8 2 3 1 准一维p z n s 纳米结构p 型掺杂18 2 3 2s b 掺杂z n s 纳米带的合成18 2 4s b 掺杂z n s 纳米带的表征1 9 2 4 1s e m 表征2 0 2 4 2t e m ：表征2 2 2 4 3x r d 表征2 4 2 4 4x p s 表征2 5 2 4 5p l 表征：2 6 2 4 本章小结2 7 第三章p - z n s 纳米带底栅带场效应管的制各及表征。2 8 3 1s b 掺杂纳米带底栅场效应晶体管的制备2 8 3 1 1 光刻法2 8 3 1 2m a s k 模板法31 3 2p - z n s 纳米带底栅场效应管的电学表征。3 2 3 2 1 电极材料对s b 掺杂z n s 纳米带电导的影响3 2 3 2 2 退火对s b 掺杂z n s 纳米带电导的影响3 3 3 2 3s b 掺杂z n s 纳米带底栅场效应晶体管的电学性质3 4 3 2 4n 掺杂z n s 纳米带底栅场效应晶体管的电学性质3 7 3 3 本章小结3 8 第四章p z n s 纳米带的肖特基器件。3 9 4 1p - z n s 纳米带肖特基势垒二极管与肖特基栅极场效应晶体管的制备4 0 4 2p z n s 纳米带肖特基势垒二极管的表征4 1 4 3p z n s 纳米带肖特基势垒二极管的紫外光电探测应用4 4 4 4p z n s 纳米带肖特基栅极场效应晶体管的表征：4 5 4 5 本章小结4 6 第五章p - z n s 纳米线与n s i 的异质结器件 5 1p - z n s 纳米线与n - s i 的异质结制备4 8 5 2p - z n s 纳米线与n s i 的异质结表征5 0 5 3 本章小结5 3 第六章全文总结 参考文献 攻读硕士期间发表的论文 鲋 5 6 6 3 插图清单 图1 1 不同形貌的一维z n s 纳米结构3 图1 2 以z n s 纳米带为基底生长的z n s 纳米线阵列s e m 图3 图1 3 热蒸发生长的z n s 纳米带阵列s e m 图3 图1 - 4 b ) 脉冲激光蒸发制备的z n s 纳米线的s e m 图及其p l 谱，( c ，d ) 热蒸发制 备的z n s 纳米线的s e m 图及其p l 谱4 图1 5 ( a ) m n 掺杂z n s 纳米棒的p l 谱，( b ) c u 掺杂z n s 纳米棒的p l 谱5 图1 - 6 碳纳米管场效应管结构示意图。j 6 图1 7 碳纳米管场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线7 图1 8p 型s i 纳米线阵列场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线。7 图1 - 9 ( a ) 未退火a s 掺杂z n s e 纳米线场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线 ( b ) 退火a s 掺杂z n s e 纳米线场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线8 图1 1 0c d s 纳米带的传输性能图1 1 7 ( a ) c d s 纳米带场效应管的场效应曲线，( b ) c d s 纳米带场效应管的转移特性曲线，( c ) 不同温度下的厶。魄曲线，( d ) 不同 光照强度下转移特性曲线- 8 图1 1 1a u z n o 纳米线肖特基势垒二极管i - v 曲线9 图1 - 1 2n 掺杂z n s 纳米带场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线9 图1 1 3 基于z n s 纳米带的紫外传感器的光响应：。l o 图1 1 4z n s 纳米材料对h 2 的响应1 0 图1 1 5z n s s i 0 2 纳米核壳结构化学传感器的p h 值检测1 1 图2 1v l s 机理生长示意图1 2 图2 2 热蒸发法合成的z n s 纳米线1 2 图2 3 溶剂热法合成的z n s 纳米带阵列13 图2 4a a m 模板法生长的z n s 纳米线阵列1 4 图2 5 纳米材料合成、退火和刻蚀设备1 6 图2 6 硅片表面清洁设备1 6 图2 7 器件制备设备1 7 图2 8s b 掺杂z n s 纳米带的合成示意图1 9 图2 - 9z n s 纳米带的生长机理1 9 图2 1 0 扫面电子显微镜( a ) 实物照片，( b ) 结构原理图。2 0 图2 1 1 本征z n s 纳米带的s e m 图和e d s 图2 1 图2 1 2 不同s b 掺杂浓度的z n s 纳米带的s e m 图和e d s 图。2 1 图2 1 3 透射电子显微镜( a ) 实物照片，( b ) 构造原理和光路2 2 图2 1 4s b 掺杂z n s 纳米带t e m 图2 3 图2 1 5s b 掺杂z n s 纳米带的( a ) h r t e m 图，( b ) s a e d 图2 3 图2 16x 射线散射示意图2 4 图2 1 7s b 掺杂z n s 纳米带的x r d 图2 5 图2 1 8 ( a ) x 射线光电子能谱分析仪，( b ) 材料光电过程示意图2 6 图2 一1 9s b 掺杂z n s 纳米带x p s 图2 6 图2 - 2 0s b 掺杂z n s 纳米带p l 谱2 7 图3 1 纳米材料底栅场效应晶体管2 8 图3 2 正性光刻：2 9 图3 3 光刻流程3 0 图3 - 4s b 掺杂z n s 纳米带底栅场效应晶体管的( a ) 剖面图，( b ) 实物图：3 l 图3 5m a s k 模板法示意图3 l 图3 - 6 在不同电极下测量的二矿曲线3 2 图3 7 不同退火温度的二矿曲线3 4 图3 8 不同s b 掺杂浓度的z n s 纳米带的- v 曲线3 4 图3 - 9s b 掺杂z n s 纳米带( s a m p l e2 ) 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线3 5 图3 - 1 0s b 掺杂z n s 纳米带( s a m p l e3 ) 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线 ：3 6 图3 - 1 1n 掺杂z n s 纳米带( s a m p l e4 ) 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线 ：3 7 图3 1 2n 掺杂z n s 纳米带( s a m p l e5 ) 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线3 8 图4 - 1p - z n s 纳米带肖特基势垒二极管( a ) 结构图，( b ) 染色s e m 图4 0 图4 - 2p z n s 纳米带两端用a u 做电极测量的厶y 曲线4 1 图4 - 3p z n s 纳米带肖特基势垒二极管- v 曲线4 2 图4 - 4p - z n s 纳米带肖特基势垒二极管i a - a 曲线4 3 图4 - 5p - z n s 纳米带肖特基势垒二极管半对数实验曲线和修正曲线对比4 4 图4 - 6p - z n s 纳米带肖特基势垒二极管的紫外光响应4 4 图4 7p - z n s 纳米带肖特基栅极场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线4 6 图5 lp - z n s 纳米线n s i 核壳结构异质结的形貌与成分。4 9 图5 - 2p - z n s n s i 纳米线分枝结构异质结s e m 图4 9 图5 - 3p - z n s 纳米线n s i 核壳结构异质结器件结构5 0 图5 - 4n 型s i 场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线5 0 图5 - 5p - z n s n s i 核壳结构异质结的厶y 曲线5 l 图5 - 6p - z n s n - s i 结型场效应晶体管的输出特性曲线和特性曲线5 l 图5 7p - z n s 纳米线n s i 纳米线交叉结构异质结器件图5 2 图5 - 8p - z n s 纳米线n s i 纳米线交叉结构异质结- v 曲线5 2 表格清单 表2 - 1 实验药品1 5 第一章绪论 材料是人类社会发展的物质基础，每一种重大新材料的发现和应用都把人 类改造自然的能力提高到一个崭新的高度，材料已成为衡量人类发展的重要标 志。自2 0 世纪5 0 年代半导体硅材料和半导体晶体管的发明和应用开始，电子 产业飞速发展并引发新的技术革命，人类社会逐渐进入信息时代。2 0 世纪8 0 年代，出现了扫描隧道显微镜，标志着纳米科学技术的诞生。纳米科学技术是 一个研究介观态物质的前沿领域，它以物理、化学的微观理论为基础，以当代 精密仪器和先进的分析技术为手段，涵盖多个学科群。由于纳米科学技术的出 现，人们对半导体材料的研究也推进到以量子效应为基础和低维结构为特征的 纳米尺度阶段。基于半导体纳米材料的电子器件、光子器件、光电器件将成为 未来信息时代的核心。 1 1 纳米材料简介 1 1 1 纳米材料的概念、发展及其分类 纳米材料是指在一维、二维、三维的空间始终处于1 1 0 0 n m 范围内的晶体 或非晶体物质。实际上，纳米材料的尺度划并不是很严格，主要考虑两点【l 】： 一是临界尺寸，就是当材料大小减小到某一尺寸时，材料的性能发生突变，与 同样组分构成的常规体材料性质不同，这个尺寸就是临界尺寸。同一种纳米材 料具有的不同性质所发生的临界尺寸是不相同的，而同一种性能的不同纳米材 料其临界尺寸也有很大差别。二是纳米结构材料，它是以尺寸效应为特征的材 料，不具备明确的尺度大小，但其性质和应用却具备纳米效应。纳米结构材料 涵盖的材料种类繁多，一般的材料都有相应的纳米结构