基于可控Cd掺杂In2O3纳米线的电学特性研究

郭慧尔， 葛 焱， 王春来， 李琳珑， 于永强

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

基于可控Cd掺杂In2O3纳米线的电学特性研究

郭慧尔， 葛 焱， 王春来， 李琳珑， 于永强

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

文章利用化学气相沉积法合成了不同摩尔比的Cd掺杂的In2O3纳米线，制备了基于单根In2O3纳米线的底栅场效应晶体管，并研究了其电输运特性。结果表明，相对未掺杂的In2O3纳米线，In2O3∶Cd纳米线的电导率有1～2个数量级变化，载流子迁移率高达58.1cm2／（V·s），载流子浓度高达3.7×1018cm－3。可控Cd掺杂In2O3纳米线将在纳米光电子器件方面有着广泛的应用前景。

In2O3纳米线；化学气相沉积；Cd掺杂；场效应晶体管

In2O3是一种透明氧化物半导体，禁带宽度为3.4～3.75eV，由于其具有较高的催化活性、较好的电学及光学特性［1－3］，而被广泛应用于光电池、传感元件及透明电极材料等领域［4］。近年来，有关实现全透明发光器件的制备已成为研究的热点，特别是在全透明的电极接触、全透明驱动等方面的研究愈来愈热，其中在柔性衬底上，利用ZnO或In2O3纳米线为导电沟道制备的全透明二极管被证明有杰出的驱动性能［5－6］。

当前In2O3纳米线的研究主要集中在其多形貌的纳米线生长［7－8］或者气敏特性［9］的研究等方面，而利用In2O3纳米线作为导电沟道制备不同种类的纳米器件的探索及研究不多。实现纳米器件的应用往往需要有效地控制纳米材料的掺杂，但当前有关In2O3纳米线的可控掺杂及其在相关器件的应用研究报道并不多。

本文就Cd掺杂In2O3纳米线的可控合成、单根In2O3∶Cd纳米线的场效应晶体管（FET）制备及性能测试方面进行了系列研究，研究表明，单根In2O3纳米线的FET在掺杂摩尔比不高的情况下，有良好的栅压调节效应。

1 实验部分

1.1 In2O3∶Cd纳米线的合成与表征

Cd掺杂In2O3纳米线的合成是通过简单的热蒸发方法在水平管式炉中进行，实验过程示意图如图1所示。高纯In2O3、C、CdS混合粉末0.25g作为蒸发源，CdS粉末作为掺杂源，置于一端开口的小试管底部，小试管置于管式炉中心区域，反应原理为碳热还原反应。Au催化颗粒的Si片（5nm）放置在蒸发源下游14cm处做衬底，反应过程中保持炉内气压26 600Pa，并保持100mL／min Ar气做保护气体，8mL／min O2做反应气体，蒸发源加热至1 080℃，保温2h，自然降温至室温，于Si衬底上得到淡黄色粉末沉积物。记录3种不同Cd掺杂摩尔比的In2O3纳米线，分别标记为样品1、样品2和样品3，相应地In与Cd的摩尔比分别为15∶1、10∶1、5∶1。未掺杂In2O3纳米线的反应条件除了未使用CdS掺杂源之外，其他条件完全相同，文中标记为未掺杂。

图1 实验过程示意图

采用 X 射线衍射仪（XRD，RigakuD／MaxrB，Cukα射线）对纳米线的物性进行了表征；采用扫描电子显微镜（SEM，SIRION 200FEG）对纳米线的形貌进行了表征；采用X射线光电子能谱仪 （XPS，Thermo ESCALAB 250）对纳米线的元素组成进行了表征。

1.2 In2O3∶Cd纳米线FET的制备与表征

单根纳米线底栅FET的制备工艺流程为：

（1）分散。将制备所得的In2O3纳米线，均匀地分散在具有300nm SiO2层的p型Si片表面。

（2）涂胶。涂胶机涂胶，600r／min涂9s，再3 500r／min 30s，使得甩胶均匀、薄厚适中。

（3）烘胶。在90℃的环境下，烘胶90s。

（4）光刻。对掩模板覆盖的样品进行光学曝光，曝光时间为18s。

（5）显影。在显影液中显影35s，去除曝光部分。

（6）蒸电极。电子束蒸发蒸镀50nm Ti作为金属电极。

（7）洗胶。用丙酮洗去样品上遗留的光刻胶。

室温下，采用半导体测试仪系统（Keithley 4200－SCS）对In2O3∶Cd纳米线的电输运特性进行了表征。

2 结果与讨论

2.1 In2O3∶Cd纳米线的表征

典型的In2O3∶Cd纳米线的SEM、EDX、XRD及XPS图谱如图2所示。

图2 In2O3∶Cd纳米线的SEM、EDX、XRD及XPS图谱

从图2a可以看出，纳米线产量茂密，尺度较为均匀，表面光滑，长度可达20μm，粒径约为400～500nm。其相对应的EDX图谱如图2b所示，图中仅含In和O 2种元素，化学计量n（In）∶n（O）＝1∶1.4接近元素In2O3的理想化学计量比。EDX图谱中没有Cd元素的存在，其原因是合成纳米线中Cd元素摩尔比较低，在仪器的探测范围之外。

In2O3∶Cd纳米线的XRD图谱如图2c所示，图中各衍射峰与标准卡片PDF894595各衍射峰相比一一对应，为典型体心立方结构，除了2θ为69.131°的衍射峰为衬底Si（100）面的衍射峰之外，没有其他杂质衍射峰的出现，表明产物为高纯In2O3相。In2O3∶Cd纳米线的XPS图谱如图2d所示，图中在405eV附近出现2个较弱的峰，对比标准图谱为Cd元素的3d峰，证实了合成In2O3纳米线有Cd元素存在，Cd元素质量分数约为3.25%，这表明了In2O3纳米线实现了Cd元素的掺杂。

2.2 In2O3∶Cd纳米线电输运特性的测试

基于In2O3∶Cd纳米线的底栅FET示意图如图3所示，其中源、漏电极采用Ti电极。两电极法测得的未掺杂和不同摩尔比掺杂的In2O3∶Cd纳米线I－V曲线如图4所示。插图为源漏电极的SEM图谱。

由图4可看出，I－V曲线线性良好，表明Ti电极与In2O3纳米线形成良好的欧姆接触。图4中In2O3∶Cd纳米线的电导率较未掺杂In2O3纳米线有明显的改变，随着Cd掺杂摩尔比的增加，纳米线的电导率依次升高。纳米线电导率为：

其中，σ为电导率；L为源漏电极之间纳米线的长度；R为纳米线的电阻；S为纳米线的横截面积。由此可得，未掺杂In2O3纳米线的电导率为0.018S／cm，样品1、样品2和样品3对应的电导率分别为0.3、5.0、5.8S／cm。相对于本征In2O3纳米线，Cd掺杂In2O3纳米线电导率有1～2个数量级变化，这表明Cd掺杂能较大改变纳米线的电导率，随着掺杂摩尔比的升高，纳米线的电导率增加，且能较为有效地控制纳米线的电导。至于本征In2O3纳米线具有相对较高的电导率，可能是In2O3纳米线中富含大量O空位，使得In元素提供大量自由电子作为载流子，从而使In2O3纳米线显示很强的n型半导体性能［10］，表明Cd元素可以作为一个很好的掺杂源，用以改变In2O3纳米线的导电性能。

图3 底栅MOSFET示意图

图4 不同掺杂量In2O3纳米线的I－V曲线

不同栅压下单根In2O3∶Cd纳米线Ids－Vds曲线如图5所示，插图为Vds＝5V的Ids－Vgs曲线。

图5 In2O3∶Cd纳米线在不同栅压下的Ids－Vds曲线及相应Ids－Vgs曲线

由图5看出，随着栅压（Vgs）的逐渐增大，Ids也逐渐增大，这表明基于Cd掺杂In2O3纳米线制备的底栅场效应管是典型的n沟道MOSFET。Cd掺杂In2O3纳米线具有n型半导体特性，其原因可能在于Cd掺杂是间隙式掺杂，而非替位式。

由Ids－Vgs曲线的线性部分可得跨导gm为：

载流子迁移率可表示为：

其中，L为两电极之间的距离（8μm）；h为绝缘层的厚 度 （300nm）；d为 纳 米 线 的 直 径 （～500nm）；gm为场效应管的跨导；εSiO2为SiO2的电介质常数（3.9）。

载流子浓度可根据ne＝σ／qμe求得。其中，σ为Cd掺杂In2O3纳米线Vgs＝0V时的电导率；q为电子电量。基于不同Cd掺杂量制备的In2O3纳米线底栅场效应管的器件参数见表1所列。从表1可以看出，随着掺杂摩尔比的升高，gm和μe先 升 高 后 降 低，μe最 大 值 为58.1cm2／（V·s）。μe先升高可能源于高的掺杂摩尔比提高了纳米线导电沟道的电导率和改善了电接触［11］。随着掺杂摩尔比继续提高，μe从58.1cm2／（V· s）降至10.1cm2／（V· s），这主要是因为载流子浓度的增大，使得载流子迁移过程中散射增强，导致电子迁移率反而下降。随着Cd掺杂水平的提高，载流子浓度ne显著增大，最高可达到样品3的3.7×1018cm－3，这已接近大多数n型半导体纳米材料的水平［12］。另一方面，随着载流子浓度ne的升高，栅压对沟道电导的控制作用变得越来越弱，使得ION／IOFF从样品1的10降到样品3的1。结果反映了In2O3纳米线的电学特性可以有效地通过改变Cd掺杂摩尔比来实现。制备所得In2O3纳米线成功地实现了Cd元素的可控掺杂。

表1 In2O3∶Cd纳米线FET器件的主要参数

3 结束语

本文采用化学气相沉积法成功合成了In2O3∶Cd纳米线，并制备了基于单根In2O3纳米线的底栅场效应晶体管。通过对未掺杂和不同掺杂量纳米线Ids－Vds、Ids－Vgs曲线的分析发现，随着Cd摩尔比的不断增大，载流子浓度亦不断地增大，载流子迁移率先增大后减小，此结果证实了通过调节Cd元素的掺杂量可以有效地改变In2O3纳米线的电学特性。本文对利用In2O3纳米线制备全透明发光器件以及全透明驱动等方面的应用具有一定的指导意义。

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Tunable electric properties of Cd－doped In2O3nanowires

GUO Hui－er， GE Yan， WANG Chun－lai， LI Lin－long， YU Yong－qiang
（School of Electronic Science and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Cd－doped In2O3nanowires（NWs）with different molar ratio were accomplished via the method of chemical vapor deposition.Back－gate field－effect transistors（MOSFETs）were constructed based on the single In2O3∶Cd NW.Systematical measurements on the electrical transport properties of the In2O3∶Cd NWs reveal that compared with the non－doped In2O3NWs，the conductivity of In2O3∶Cd NWs can be tuned one or two orders of magnitude by adjusting the Cd doping level.With the increase of Cd doping level，high ionic mobility up to 58.1cm2／（V·s）is obtained and the electron concentration can be as high as 3.7×1018cm－3.It is expected that the Cd－doped In2O3NWs with controllable electrical transport properties will have important applications in nano－optoelectronic devices.

In2O3nanowire；chemical vapor deposition；Cd doping；field－effect transistor

TN305.3；TB383

A

1003－5060（2012）06－0780－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.06.016

2011－11－15；

2012－12－06

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2010HGXJ0077）

郭慧尔（1978－），女，山西运城人，合肥工业大学讲师.

（责任编辑 闫杏丽）