Простое изготовление самосборных сетевых каналов на основе нанопроводов ZnO и их УФ-обнаружение, управляемое затвором

Фон

Хорошо известно, что одномерные наноматериалы имеют различные преимущества перед другими пленочными или объемными материалами из-за их высокой удельной поверхности, хорошо ориентированных однородных кристаллических структур и направленных путей переноса заряда, которые обеспечивают высокую производительность устройства и простоту изготовления устройства [1 , 2]. В частности, из-за их уникальной размерности полупроводниковые нанопроволоки (ННК) использовались в различных приложениях, таких как преобразование энергии, память, оптические устройства и датчики [3,4,5,6,7,8,9]. Среди них ННК из оксида цинка (ZnO) показали превосходные полупроводниковые характеристики с большой прямой запрещенной зоной 3,37 эВ и высокой энергией связи 60 мэВ при комнатной температуре [10]. Кроме того, известно, что ZnO ​​является экологически чистым, широко распространенным в природе и дешевым в производстве [11]. Следовательно, ZnO применялся в самых разных областях, включая светодиоды [12, 13], лазерные диоды [14], солнечные элементы [15,16,17,18], фотодетекторы [19,20,21,22]. , 23], прозрачные полевые транзисторы [24,25,26], генераторы [27, 28] и химические сенсоры [29, 30]. Между тем УФ-сенсоры на основе ZnO NW были продемонстрированы [31,32,33], но эти устройства было сложно изготовить. Эти методы изготовления сетевых устройств ZnO NW обычно включают осажденные электродами покрывающие пленки ZnO NW с последующим процессом травления для определения канала. С помощью этого метода трудно контролировать физические размеры, такие как регулировка ширины канала ZnO. Чтобы преодолеть эти проблемы, был изучен метод гидротермального роста ZnO NW на предварительно сформированных слоях, но требуются дополнительные процессы травления и / или гидротермального роста. Предлагаемые в настоящее время методы формирования рисунка нанопроволоки ZnO, такие как селективный рост под действием лазера [34, 35] или гидротермальный рост нанокристаллов ZnO с локализованными нагревателями [36], включают в себя дорогостоящие и высокотемпературные процессы. Также существует случай, когда вертикально выращенная сеть массивов нанопроволок ZnO используется для использования выровненных сетей массивов нанопроволок с контролируемыми свойствами устройства [37], но это также требует больших усилий, требуя вакуумного оборудования, такого как CVD, и не подходит для большая площадь и невысокая стоимость производства. Был предложен низкотемпературный процесс с низкими затратами на производство, основанный на микроконтактной печати [38] или струйной печати [39], но контроль плотности NW и соответствующих свойств устройства все еще остается проблемой.

В этой работе мы демонстрируем легко воспроизводимый и простой метод изготовления массивов УФ-датчиков с управлением затвором на основе сетевого полевого транзистора (FET) ZnO NW с использованием самосборки на подложках с молекулярным рисунком и термообработки. Сетевые каналы ZnO NW имеют выход устройства 90% при средних значениях сопротивления в несколько сотен кОм. Считается, что последующая термообработка имеет эффект удаления остаточных органических растворителей и улучшения электрического контакта между ННК. Полевые транзисторы на основе ZnO NW показали свойства n-типа с отношением включения / выключения 10 ⁵ . , крутизна около 47 нСм и подвижность около 0,175 см ² V ^-1 s ⁻¹ . Физическими свойствами можно управлять, изменяя условия сборки NW, такие как молекулярная структура, плотность NW в растворе, скорость вытягивания и т. Д. Наконец, мы успешно реализовали массивы УФ-датчиков ZnO с регулируемой светочувствительностью и временем отклика на приложенное напряжение затвора. Отрицательное напряжение затвора, приложенное к полевому транзистору n-типа, минимизировало начальный ток из-за истощения канала ZnO NW. Действительно, максимальная светочувствительность к УФ-свету была обнаружена при напряжении на затворе ниже -55 В, а светочувствительность оказалась пропорциональной напряжению в канале V _ds , показывающая максимальную светочувствительность при V _ds =7 В. Кроме того, отрицательное напряжение затвора способствовало восстановлению устройства после воздействия УФ-излучения. Следует отметить, что, хотя ранее сообщалось о сетевых устройствах ZnO NW [34, 35], наши устройства ZnO NW имеют структуры ZnO NW с контролируемой шириной и толщиной канала без использования каких-либо процессов химического или плазменного травления. Этот мягкий процесс в сочетании с термообработкой ниже температуры рекристаллизации ZnO (~ 400 ° C) привел к простому крупномасштабному производству УФ-сенсоров, управляемых затвором, с высоким коэффициентом включения-выключения и светочувствительностью. Мы ожидаем, что производительность наших процессов и устройств ускорит процесс коммерциализации приложений на основе ZnO NW.

Методы

Изготовление полевых транзисторов сети ZnO NW

ZnO NW длиной 2 ~ 3 мкм и диаметром 200 нм были закуплены у Sigma-Aldrich, Inc., США. ННК диспергировали до концентрации 1 мас.% В дихлорбензоле (DCB) обработкой ультразвуком в течение 3 с. Для изготовления подложек с молекулярным рисунком фоторезист (AZ 5214E) наносили узор на подложку SiO2 (SiO2 толщиной 300 нм на пластине Si, легированной p-примесью толщиной 500 мкм) обычным методом фотолитографии. Затем субстрат был погружен в 1:500 v / v октадецилтрихлорсилан (ОТС) в гексане около 3 мин [40]. Во время этого процесса монослой молекул ОТС самосборался на поверхности экспонированного SiO ₂ регион для создания неполярной области ОТС. После обработки OTS подложку погружали в ацетон на 2 мин для удаления области, защищенной фоторезистом, экспонируя полярный SiO ₂ регионы, на которых будут собираться ННК ZnO. Самоорганизующиеся монослои OTS имеют метильное окончание, что делает его неполярной областью. С другой стороны, поверхность SiO2 работает как полярная область от своих гидроксильных групп (ОН). Для сборки ZnO NW подложку погружали в раствор NW и вытягивали с контролируемой скоростью вытягивания в диапазоне 0,5 ~ 10 мм мин ^-1 . Раствор ZnO NW перемешивали с помощью магнитной штанги во время процесса вытягивания со скоростью 100 об / мин для предотвращения агрегации и осаждения NW. При вытягивании подложки испарение происходило быстрее всего вблизи границы раздела воздух – суспензия – подложка, что приводило к селективной адсорбции ННК ZnO на полярном SiO ₂ области из-за силы Ван-дер-Ваальса, избегая неполярных областей OTS. После сборки ZnO NW на подложке электроды (Ti / Al, 10/300 нм) были нанесены термическим осаждением с последующим процессом отрыва.

Процесс термообработки

Термическую обработку проводили при давлении 1 Торр в атмосфере аргона внутри печи. Температуру повышали до 110 ° C в течение 3 минут и поддерживали постоянной в течение 10 минут, чтобы испарить оставшиеся растворители. Затем температуру повышали до 300 ° C в течение 3 минут и поддерживали постоянной в течение 10 минут, чтобы улучшить границу раздела между ННК и уменьшить потенциальные барьеры и контактное сопротивление между ННК [41]. После этого образец охлаждали до комнатной температуры в течение 1 ч, а затем вынимали из печи.

Измерение электрических и светочувствительных свойств сетевых полевых транзисторов ZnO NW

Электрические свойства, такие как ВАХ и свойства затвора, измерялись с помощью пробной станции, оснащенной анализатором параметров полупроводников (4200A-SCS, Keithley, США). Напряжение исток-сток сканировалось от 0 В до 7 В. Напряжение затвора изменялось от -60 В до + 60 В. На основе зависимых от затвора ВАХ были рассчитаны значения крутизны и подвижности [42, 43]. . Чтобы избежать влияния окружающей среды на сопротивление каналов NW, во время измерений температура и относительная влажность поддерживались постоянными на уровне 23 ± 1 ° C и 35 ± 1% соответственно. Для измерения УФ-фотоотклика напряжение исток-сток В _ds поддерживали при 7 В. Источником УФ-излучения была портативная УФ-лампа (Spectroline ENF-260C / FE, США) с длиной волны возбуждения 365 нм и плотностью мощности 350 мкВт см ^-2 .

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлена ​​принципиальная схема, описывающая подготовку просачивающихся сетевых каналов ZnO NW и последующую термообработку. Сначала подложку с рисунком OTS погружали в суспензию ZnO NW (1 мас.% В дихлорбензоле) и извлекали из суспензии ZnO NW с помощью самодельной вытяжной системы при различных скоростях вытягивания 0,5 мм мин ^-1 до 10 мм мин ⁻¹ (Дополнительный файл 1:Рисунок S1). Во время процесса вытягивания жидкий мениск, содержащий ННК ZnO, тянулся к подложке с рисунком ОТС. ZnO NW собраны исключительно на открытом SiO ₂ регионы канала. Как показано на вставке к рис. 2а, в общей сложности 100 устройств были изготовлены на 4-дюймовых пластинах с использованием нашего метода изготовления. На рис. 2а показано оптическое изображение просачивающегося сетевого канала ZnO NW, а на вставке - массив устройств на полевых транзисторах. Средний диаметр ННК ZnO составлял 200 нм, длина ННК составляла 2 ~ 3 мкм, длина и ширина канала составляли 6 мкм и 20 мкм соответственно. После сборки ZnO NW, электроды исток-сток были изготовлены с помощью обычной фотолитографии, термического осаждения металла (10 нм Ti, 300 нм Al) и процесса снятия.

Принципиальная схема процесса изготовления сетевого транзистора ZnO NW. Сборка ZnO NW на подложках с молекулярным рисунком с использованием процесса вытягивания

Формирование каналов и контроль толщины сетевых полевых транзисторов ZnO NW. а Увеличенное оптическое изображение сетевого канала NW длиной 6 мкм и алюминиевых электродов. На вставке - оптическая микрофотография матричных устройств размером 10 × 10 с каналами с микрорельефом. б Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), демонстрируют избирательную сборку нанокристаллов ZnO в виде линий с различной шириной линий 5, 10 и 20 мкм. c АСМ-изображение сети ZnO NWs. г Среднее распределение высоты в зависимости от скорости вытягивания при различной скорости вытягивания 0,5 ~ 10 мм мин ⁻¹ . На вставке показан профиль высоты AFM для различных скоростей вытягивания 0,5, 2, 10 мм мин ⁻¹ .

Как показано на рис. 2b, мы смогли получить структуры ННК ZnO с различной шириной линий 5, 10 и 20 мкм, изменив SiO ₂ размер области рисунка. Окружающие области OTS неполярны из-за метильных концов молекул OTS. Считается, что ННК адсорбируются только на полярном SiO ₂ . области ван-дер-ваальсовым взаимодействием [40]. Избирательная сборка ZnO NW была также подтверждена с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S2). Здесь сигналы Zn были ограничены теми областями с NW ZnO.

Физические свойства просачивающихся сетевых каналов ZnO NW, такие как толщина и плотность, контролировались путем модуляции скорости вытягивания подложки из раствора NW во время сборки NW. На рисунке 2c показаны изображения АСМ (атомно-силовой микроскопии) сетей ZnO NW, собранных при различных скоростях вытягивания 0,5, 2 и 10 мм мин ⁻¹ . . Средняя высота профиля в зависимости от скорости вытягивания показана на рис. 2d. Плотность ННК составляла 1,21 НВт мкм ^-2 . при скорости вытягивания 0,5 мм мин ⁻¹ , и 0,09 НВт мкм ⁻² при 10 мм мин ⁻¹ . Толщина канала СЗ увеличилась за счет снижения скорости протяжки. Высота канала NW обычно была примерно в 1,5 ~ 2 раза больше, чем средний диаметр одиночного NW, составляющий 200 нм при самой низкой скорости 0,5 мм мин ^-1 (Рис. 2г, врезка). При скорости вытягивания 10 мм мин ⁻¹ , сетевое соединение достигло предела перколяции, после которого сеть не показала соединение. Современные методы изготовления сетевых устройств из ZnO NW обычно включают осаждение электродами пленки, покрытой ZnO NW, с последующим некоторым процессом травления для определения каналов [38, 39]. С помощью этого метода трудно контролировать физические размеры, такие как регулировка ширины канала ZnO. Чтобы преодолеть эти проблемы, был изучен метод, использующий гидротермальный рост нанокристаллов ZnO на предварительно сформированных слоях [44, 45], но он также требует дополнительного процесса травления и / или процессов гидротермального выращивания, которые требуют времени и затрат. Напротив, наш метод позволяет легко контролировать ширину и длину канала, предварительно структурируя канал молекулами ОТС, а затем собирая ННК с помощью вытягивающей системы.

Электрическими свойствами также можно управлять, регулируя скорость вытягивания. На рис. 3 показаны электрические свойства до термообработки. На рис. 3а показано изменение ВАХ при разных скоростях протяжки. При уменьшении скорости вытягивания с 2 до 0,5 мм мин ⁻¹ начальный ток увеличился с 5 до 50 нА при напряжении 1 В. Предположительно, это связано с увеличением возможностей подключения к сети с увеличением плотности NW в канале. Типичные зависимые от затвора кривые ВАХ ZnO NW FET, изготовленного при 2 мм мин ^-1 скорости вытягивания показаны на рис. 3б, в. На рисунке 3b показаны ВАХ при различных напряжениях затвора V . _g значения (от - 60 В до 60 В с шагом 20 В). Я _ds - V _г Характеристики затвора на рис. 3c показывают типичные характеристики n-типа с увеличенным отношением включения-выключения на пять порядков величины от тока выключения с 3 пА до 556 нА и уменьшением тока выключения при увеличении скорости вытягивания с 0,5 до 2 мм. мин ⁻¹ (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S3). Это увеличение отношения включения / выключения с уменьшением плотности пленки можно объяснить тем, что канал больше подвержен влиянию электрического поля от заднего затвора по мере того, как мы делаем канал NW более тонким [46]. Кроме того, скорость вытягивания влияет на производительность устройства и частотное распределение сопротивления двух датчиков (дополнительный файл 1:Рисунок S4). Сопротивление показывает среднее значение 28,2 ± 4 МОм и выход ~ 92% при 0,5 мм мин ⁻¹ . . Однако распределение сдвигается до 877 ± 280 МОм и ~ 78% выхода при 2 мм мин ⁻¹ . скорость вытягивания. Здесь доходность определяется как доля устройств с измеримыми значениями сопротивления над уровнем шума оборудования.

Связность и электрические свойства сети ZnO NW путем управления скоростью протяжки. а ZnO NWs network FET электрические свойства скорости вытягивания 0,5 и 2 мм мин ⁻¹ . Типовые вольт-амперные характеристики устройств, изготовленных при различных скоростях протяжки 0,5 и 2 мм мин ⁻¹ . Сетевые каналы показали контакт Шоттки от -1 до 1 В. На вставках - СЭМ-изображения сетевого канала при 0,5 (вверху слева) и 2 (внизу справа) мм мин ⁻¹ . Масштабные линейки составляют 10 мкм для обоих случаев. б Вольт-амперные характеристики различного напряжения на затворе. V _g изменялся от - 60 В до 60 В с шагом 20 В. c Я _ds vs V _g отношения сетевого канала ZnO NWs, изготовленные на различных V _ds . V _ds от 0 до 7 В с шагом 1 В

Здесь характеристика затвора полевого транзистора не имеет режима чистого насыщения. Согласно предыдущим сообщениям, сеть ZnO NW не показывала режим чистого насыщения, возможно, из-за повышенного рассеяния носителей на сложном пути сети NW, большой площади поверхности и границ зерен на переходах NW [47]. Наша сеть ZnO NW образует ряд путей между истоком и стоком. Кроме того, сетевой канал ZnO NW имеет толщину примерно до 0,4 мкм (рис. 2d). Неоднородная толщина нанопроволоки приводит к разному расстоянию до затвора для каждой нанопроволоки, и степень модуляции немного отличается. Следовательно, характеристика полевого транзистора не имеет режима чистого насыщения, как у полевого транзистора с одной нанопроволокой.

Электрические свойства изготовленных устройств могут быть улучшены с помощью последующего процесса термообработки для улучшения однородности электрических свойств и дальнейшего снижения контактного сопротивления между ННК [41]. Термическую обработку проводили в условиях низкого давления при 300 ° C в течение 10 минут при пропускании газообразного аргона со скоростью 100 куб. См (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S5). На рисунке 4 показано изменение электрических свойств образцов, изготовленных при 2 мм мин ^-1 . скорость вытягивания. После термообработки ток при смещении 1 В увеличился с 600 нА до 6,5 мкА (рис. 4а). Частотное распределение сопротивления на рис. 4b показывает падение среднего сопротивления с 877 ± 280 МОм до 207 ± 37 кОм, примерно на 3 порядка величины. Кроме того, выход устройства увеличился с 78 до 90%, предположительно из-за улучшенного электрического контакта между ННК. Мы сосредоточились на использовании преимуществ улучшения связи СЗ за счет термообработки. По этой причине температура не поднималась выше 400 ° C, где происходит рекристаллизация ZnO. Сообщалось, что такая рекристаллизация влияет на характеристики десорбции и адсорбции кислорода на поверхности ZnO во время УФ-облучения [41]. Следовательно, чтобы получить только улучшение связи между ННК посредством термообработки, была проведена термообработка до 300 ° C, чтобы улучшить границу раздела между НК. Это привело к повышению электрической стабильности и характеристик. Мы считаем, что наш процесс термообработки может удалить адсорбирующие молекулы, такие как влага или гексаметилентетрамин (ГМТА), поскольку температура нашего процесса выше, чем температура плавления ГМТА (290 ° C). Это привело к повышению производительности NW FET, поскольку он улучшает соединение между NW и удаляет другие адсорбирующие молекулы, которые ухудшают характеристики NW, такие как влага.

Электрические свойства сети ZnO NW после термообработки. а Типичные вольт-амперные характеристики до и после отжига, скорость вытягивания 2 мм мин ⁻¹ . Сетевые каналы показали контактное поведение Шоттки. (вставка) ВАХ перед отжигом, увеличены. б Частотное распределение сопротивления сети ZnO NW, вытянутой со скоростью 2 мм мин ⁻¹ . Среднее сопротивление снизилось примерно на три порядка. ( c ) ВАХ при различных напряжениях на затворе. V _g изменялся от - 60 В до 60 В с шагом 20 В. г Электрические свойства I _ds vs V _g после термической обработки. е Сравнение I / Я _выкл соотношение при разных V _g значения до и после термообработки ( V _g шаг =5 В). е Повышенная крутизна за счет термообработки

Типичный я _ds - V _ds и я _ds - V _г Характеристические кривые ZnO NW FET показаны на рис. 4c, d. На рисунке 4e показано, что I _ds - V _г характеристические кривые аналогичны до и после термообработки, а максимальное значение I _на / Я _выкл соотношение ~ 2 × 10 ⁵ . Это указывает на то, что термообработка только улучшает соединение между ННК для снижения сопротивления и не вызывает изменения внутренних электрических свойств. На рисунке 4f показано улучшение крутизны dI . _ds / dV _г после термообработки, что можно объяснить повышенной подвижностью электронов в устройстве ZnO NW. Максимальная крутизна ( г _м =dI _ds / dV _г ) был извлечен из максимального наклона I _ds - V _г характеристики и максимальное отношение включения-выключения при 7 В напряжения V _ds . (Дополнительный файл 1:Рисунок S6). Расчетная максимальная крутизна составляла ~ 47 нСм при V _г =- 30 В. Мы использовали формулу μ = г _м · L / ( W · C _d · V _ds ) для расчета предполагаемой мобильности [48]. Расчетная подвижность составила 0,175 см ² . V ^-1 s ⁻¹ . Это сопоставимо с ранее сообщенными значениями 0,018 см ² . V ^-1 s ⁻¹ с использованием массива устройств ZnO NWs [49].

Наконец, мы наблюдали УФ-фотоотклик полевых транзисторов ZnO-сети и его зависимость от напряжения на затворе. На рис. 5а показаны ВАХ при УФ-освещении при разном напряжении на затворе (от -60 В до 60 В с шагом 20 В). Я _ds -V _г Характеристики при УФ-освещении на рис. 5b показывают пониженное соотношение включения-выключения. Ультрафиолетовый свет имел эффект увеличения тока покоя полевого транзистора n-типа за счет создания фотовозбужденного носителя. На рис. 5с показана разница измеренного тока при включенном и выключенном УФ-свете. Светочувствительность к УФ-излучению ( I _свет / Я _темный :отношение фототока к темновому току) изменяется в зависимости от приложенного напряжения затвора и показывает максимальное значение отношения 8,6 × 10 ⁵ при V _g - 55 В или меньше. На вставке к рис. 5c показан I _ds - V _g характеристики с УФ-освещением и без него при V _ds =7 В ( В _ds -I _ds характеристики показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S7). На рисунке 5d показана линейная зависимость между I _свет / Я _темный и коэффициент текущей ликвидности ( I _на / Я _выкл ). Я _на / Я _выкл увеличение приводит к улучшению УФ-светочувствительности. Чтобы показать улучшение с увеличением текущего значения V _ds , мы наносим данные на рис. 5d как значение включения-выключения в зависимости от тока (вставка). Затем V _г =- 60 В и В _ds =7 В было оптимальным условием, когда I _свет / Я _темный соотношение было максимальным при сравнении до и после УФ-облучения.

Характеристики чувствительности к УФ-излучению полевых транзисторов ZnO NW. а ВАХ при УФ-освещении при различных напряжениях на затворе. V _g изменялся от - 60 В до 60 В с шагом 20 В. б Электрические свойства I _ds против V _g под УФ-освещением. c Я _lignt / Я _темный как изменение напряжения затвора. Максимум I _lignt / Я _темный было получено около V g ~ - 55 В. Врезка, I _ds - V _g характеристики при УФ-освещении и в темноте. г Линейная зависимость между отношением фото / темнового тока ( I _lignt / Я _темный ) и начальный коэффициент текущей ликвидности ( I _на / Я _выкл ) ZnO NW FET. На вставке показано начальное I _на / Я _выкл соотношение для различных V _ds . Максимальный я _на / Я _выкл соотношение было на уровне V _ds =7 В. e Фотоотклик сетевого фотоприемника ZnO NW на полевых транзисторах с УФ-подсветкой в ​​воздухе и без нее. На вставке показаны характеристики экспоненциального затухания после выключения УФ-излучения. е Временной фотоотклик устройств сетевого канала ZnO NW, записанный при включении и выключении УФ-излучения

Я _ds -V _г Характеристики в УФ-свете показали, что транзистор перешел из полупроводникового состояния (рис. 4c) в проводящее (накопительное) состояние (рис. 5b). Можно ожидать, что это изменение увеличит концентрацию фотовозбужденных носителей до вырожденного уровня в УФ-свете [50]. Я _свет / Я _темный соотношение наших устройств было примерно 2 × 10 ⁴ , 10 и 6, при напряжениях затвора - 60 В, 0 В и 60 В соответственно (рис. 5e). Это показывает, что УФ-светочувствительность можно регулировать напряжением на затворе. Как V _g уменьшилась, фотореактивность увеличилась.

Мы сравнили характеристики светочувствительности сетевых фотоприемников ZnO NW из других исследований. Например, массивы нанопроволок ZnO, выращенные методом CVD, показали УФ-светочувствительность ( I _свет / Я _темный ) из ~ 10 ⁴ [33, 51]. В нашем случае мы могли бы добиться аналогичной чувствительности фотоприемника 2 × 10 ⁴ без использования каких-либо процессов с высокой температурой и / или высоким вакуумом. Другие исследования с использованием таких методов, как струйная печать [47] или вертикально ориентированные нанопроволоки [52], показали уровень светочувствительности 10 ³ до 10 ⁴ , которые сопоставимы или немного ниже результатов нашего исследования (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S8). Кроме того, наше исследование показывает характеристики управления затвором, что дает преимущество при настройке чувствительности устройства в соответствии с условиями освещения.

УФ-отклик ННК ZnO можно объяснить модуляцией обедненной области в результате десорбции и адсорбции кислорода [53]. УФ-свет вызывает десорбцию ионов кислорода, адсорбированных на поверхности ZnO NW. Десорбция кислорода увеличивает эффективную толщину канала, что приводит к увеличению тока через ННК. Кроме того, уменьшение области десорбции за счет десорбции кислорода УФ-светом снижает высоту барьера перехода между ННК, что делает дрейф потока тока более эффективным [54, 55]. Поскольку наши устройства демонстрируют поведение полупроводников n-типа, темновой ток был минимизирован при больших отрицательных V _g . Таким образом, светочувствительность при большом отрицательном напряжении затвора была максимальной (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S9).

Кроме того, напряжение затвора влияет на время восстановления исходного состояния при выключении УФ-излучения. Время спада (затухания) при V _g =- 60 В и + 60 В составляют 52 с и 141 с соответственно, что показывает разницу в три раза (вставка, рис. 5e). Время, в которое ток увеличивается (время нарастания) или уменьшается (время спада) от 10% до 90%, определяется как время восстановления. Электрическое поле из-за смещения затвора влияет на возможность рекомбинации электронов и дырок в процессе поглощения молекул кислорода, которые десорбировались УФ-светом [56, 57]. Это связано с временем, чтобы вернуться в исходное состояние устройства. Следовательно, время восстановления может быть замедленным или коротким в зависимости от электрического поля. На рисунке 5f показан повторяющийся фотоотклик при применении V _g =- 60 В. Здесь показан фотоотклик устройств сетевого канала ZnO NW с временным разрешением, зарегистрированный при включении и выключении УФ-излучения. Мы подтвердили, что ухудшение светочувствительности при повторяющихся УФ-ответах не происходит.

Выводы

Мы продемонстрировали эффективный метод изготовления массивов УФ-датчиков с управлением затвором с использованием полевых транзисторов ZnO NW. Наши устройства ZnO NW имеют структуры ZnO NW с регулируемой шириной и толщиной каналов без использования каких-либо процессов химического или плазменного травления, этот мягкий процесс в сочетании с термообработкой ниже температуры рекристаллизации ZnO (~ 400 ° C) привел к простому крупномасштабному изготовлению затвора. -управляемые УФ-датчики с высоким коэффициентом включения-выключения и светочувствительностью с производительностью устройства 90%. Изготовленные сетевые УФ-датчики ZnO NWs демонстрируют свойства затвора n-типа с отношением включения-выключения 10 ⁵ , крутизна около 47 нСм и подвижность около 0,175 см ² V ^-1 s ⁻¹ . Эти электрические свойства можно регулировать параметрами процесса в методе вытягивания, такими как скорость вытягивания. Электрические свойства могут быть дополнительно улучшены методом термообработки. Устройства демонстрируют высокую чувствительность к УФ-излучению, а светочувствительность и время отклика можно контролировать с помощью напряжения затвора. Мы ожидаем, что производительность наших процессов и устройств ускорит процесс коммерциализации приложений на основе ZnO NW.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

DCB:

Дихлорбензол

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FET:

Полевой транзистор

HMTA:

Гексаметилентетрамин

NW:

Нанопроволока

OTS:

Октадецилтрихлорсилан

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

ZnO:

Оксид цинка