[发明专利]一种基于铁电栅介质和CdSe纳米线的光电晶体管

说明书

本发明属于微纳光电探测器领域，具体涉及一种基于PZT铁电薄膜栅介质的CdSe纳米线光电晶体管及其制备方法。该器件为背栅结构，主要包括源极、漏极、沟道、栅极、栅介质和衬底。其中，沟道材料为In掺杂的CdSe纳米线，栅极为金属或SrRuO₃，栅介质为PZT铁电薄膜，衬底为SiO₂/Si或SrTiO₃基片。相比之前CdSe纳米线光电晶体管，本发明具有如下优点：1)PZT铁电薄膜的介电常数远高于SiO₂、HfO₂和Al₂O₃等传统栅介质，提高了栅极对沟道载流子调控能力；2)PZT铁电薄膜可利用剩余极化场强来调控沟道载流子，降低器件功耗；3)PZT铁电薄膜相比有机铁电材料P(VDF‑TrFE)，具有高剩余极化、低矫顽场强、性质稳定且与微电子工艺兼容等优点。

技术领域

本发明属于微纳光电探测器领域，具体涉及一种基于锆钛酸铅(PZT，PbZr_xTi_(1-x)O₃，0<x<1)铁电薄膜栅介质的CdSe纳米线光电晶体管及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一类将光信号转变成电信号的器件，被广泛应用于传感、成像、显示和光通信等领域。光电探测器按照工作原理大致可以分为三类：光电导型、光电二极管型和光电晶体管型。其中，光电晶体管是一类三端器件，通常结构包括金属-氧化物-半导体场效应管型、结型场效应晶体管型和金属-半导体场效应晶体管型。其中，金属-氧化物-半导体场效应管型光电晶体管是较常见的一种结构(主要结构包括源极、漏极、沟道、栅极、栅介质和衬底)，其主要原理是利用沟道材料的光电导效应来探测入射光，并且可以通过栅极施加栅压来调控沟道中载流子的输运特性。

半导体纳米线是一种具有特殊结构的准一维材料，具有独特的电学、光学和力学特性，被认为是构建下一代微纳电子和光电器件与集成系统的潜在基石。CdSe纳米线是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体，室温下禁带宽度约1.74eV，被广泛应用于场效应晶体管、光电探测器、太阳能电池、发光二极管和光波导等领域。用纳米线来构建新型微纳光电器件有其独特的优点：(1)小的材料尺寸满足器件小型化的要求，并且具有比体材料和薄膜材料更低的工作电压和功耗；(2)半导体纳米线具有优良的机械性能，适用于柔性光电器件；(3)可以通过调控材料尺寸来调控能带结构；(4)大的比表面积以及与结构相关的偏振光探测能力等。S.T.Lee等人[Small 5,345(2009)]制备了背栅结构的CdSe纳米线光电晶体管，其中SiO₂作为栅介质。W.F.Jin等人[Journal of Materials Chemistry C 2,1592(2014)]报道了顶栅结构的CdSe纳米线光电晶体管，其中HfO₂作为栅介质。以SiO₂、HfO₂和Al₂O₃作为栅介质的CdSe纳米线光电晶体管在工作时需要施加恒定栅压，增大了器件功耗。D.S.Zheng等人[Advanced Functional Materials 26,7690(2016)]报道了一种以有机铁电材料P(VDF-TrFE)作为栅介质的CdS纳米线光电晶体管。相比SiO₂、HfO₂和Al₂O₃等栅介质，P(VDF-TrFE)铁电栅介质能利用其剩余极化电场来耗尽沟道载流子，降低光电晶体管的暗电流和功耗，但P(VDF-TrFE)具有如下缺点：较慢的铁电畴反转速率，较高的矫顽场强，较差的机械和热稳定性，并且不与微电子工艺兼容。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种以PZT铁电薄膜作为栅介质的CdSe纳米线光电晶体管及其制备方法。