傅群東 王小偉 周修賢 朱超 劉政

(新加坡南洋理工大學(xué),材料科學(xué)與工程學(xué)院,新加坡 639798)

半導(dǎo)體加工工藝微縮過(guò)程中,硅基材料的短溝道效應(yīng)帶來(lái)的低能效促使研究人員尋找新型半導(dǎo)體替代材料.二維半導(dǎo)體因其原子級(jí)別的厚度以及范德瓦耳斯表面而倍受關(guān)注,二維硒氧化鉍就是其中遷移率、穩(wěn)定性以及成本各方面較為均衡的一種.然而,其制備受到基底很?chē)?yán)格的限制,導(dǎo)致器件加工難度較大.本文利用化學(xué)氣相沉積法直接在硅片基底上合成出規(guī)格為25 μm×51.0 nm(厚度)的二維硒氧化鉍,并通過(guò)拉曼光譜、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X 射線(xiàn)能譜對(duì)其進(jìn)行表征.同時(shí),通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸運(yùn)的測(cè)試得出其遷移率為80.0 cm2/(V·s)以及光電探測(cè)得出其具有2.45×104 A/W 的光響應(yīng)度和6×104 的光增益等比較出色的表現(xiàn).但由于厚度較大,導(dǎo)致其場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)比低(2500)以及不高的光電探測(cè)靈敏度(5×1010 Jones).由此可知,硅片基底雖然帶來(lái)器件加工上的便利性,但有待進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng),并集成更多種材料的應(yīng)用.

1 引言

目前,半導(dǎo)體的加工工藝尺寸已經(jīng)微縮至鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fin field-effect Transistor,FinFET)形態(tài)的5 nm 工藝節(jié)點(diǎn)(實(shí)際半金屬連接線(xiàn)間隔為24 nm)[1].隨著加工工藝尺寸的進(jìn)一步發(fā)展,伴隨而來(lái)的是硅基材料(Si)嚴(yán)重的短溝道效應(yīng),包括閾值電壓降低、漏致勢(shì)壘降低、載流子表面散射等[2].其帶來(lái)的結(jié)果是諸如開(kāi)關(guān)比低、能耗高等問(wèn)題,限制了硅基材料在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors,MOSFET)的應(yīng)用.盡管此前已經(jīng)有了很多關(guān)于二代(GaAs)[3,4]、三代 (GaN)[5]半導(dǎo)體的研究工作以及在部分領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用,但是其四面體成鍵的結(jié)構(gòu)注定了不可避免的懸掛鍵,從而無(wú)法解決短溝道效應(yīng)的問(wèn)題.尋找硅基材料在邏輯芯片領(lǐng)域的繼任者,減小生產(chǎn)工藝微縮過(guò)程的短溝道效應(yīng),成為近年來(lái)倍受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題.

二維半導(dǎo)體,通常指那些在某個(gè)維度上接近原子級(jí)別尺寸(小于10 nm)的,近十年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的低維半導(dǎo)體[6-10].因?yàn)槠湓蛹?jí)別的厚度以及范德瓦耳斯非懸掛鍵的表面,使得其具有優(yōu)異的電子學(xué)性能和調(diào)控性以及更多的結(jié)構(gòu)堆疊可能性[11].例如,二維半導(dǎo)體二硫化鉬(MoS2)[12],理論上,其單層結(jié)構(gòu)(monolayer)的有效溝道長(zhǎng)度可以低至1 nm[13],成為硅基材料強(qiáng)有力的潛在替代材料.然而,二硫化鉬的室溫載流子遷移率(100 cm2/(V·s))相比單晶硅(1350 cm2/(V·s))[14],兩者相差了一個(gè)量級(jí).在已報(bào)道的二維半導(dǎo)體中,黑磷(black phosphorus)[10]以及一硒化銦(InSe)[15]是具有較高遷移率(1000 cm2/(V·s))的兩種材料.但是,二者較差的穩(wěn)定性,使其加工需要在惰性氣體氛圍下,成為其實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的一大阻礙.而二硒化鈀(PdSe2)[16]、二硒化鉑(PtSe2)[17],雖然有較好穩(wěn)定性,以及不錯(cuò)的遷移率(200 cm2/(V·s)),但貴金屬高昂的價(jià)格也限制了其大面積應(yīng)用的可能性.因此,尋找高化學(xué)穩(wěn)定性同時(shí)具有高遷移率的二維半導(dǎo)體,成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn).

二維硒氧化鉍(Bi2O2Se)是新近發(fā)現(xiàn)的一種具有室溫高遷移率以及極佳穩(wěn)定性的二維半導(dǎo)體材料[18-21].其遷移率在室溫條件下可達(dá)450 cm2/(V·s),同時(shí)能在空氣氛圍下穩(wěn)定數(shù)月.綜合起來(lái),二維Bi2O2Se 在遷移率,穩(wěn)定性以及成本因素的均衡性遠(yuǎn)超其他二維半導(dǎo)體.同時(shí),不僅在晶體管及邏輯電路應(yīng)用領(lǐng)域,二維Bi2O2Se 在光電探測(cè)、氣體探測(cè)、壓電、熱電、憶阻器等領(lǐng)域,也都已被證明具有優(yōu)異的性能[21].然而,基于二維Bi2O2Se 的合成,基底的選擇一直具有限制性,局限于氟金云母(fmica)以及鈦酸鍶(STO)[22]等.然而這兩個(gè)基底一方面價(jià)格比較高,另一方面,基底本身的大面積生產(chǎn)工藝較難,從而限制了材料的制備以及更為廣泛的應(yīng)用.如果能開(kāi)發(fā)本身具備大面積生產(chǎn)工藝的基底,同時(shí)能結(jié)合現(xiàn)有的硅基材料工藝的話(huà),將有機(jī)會(huì)大大拓寬二維Bi2O2Se 的應(yīng)用范圍.很顯然,硅片基底就是符合這兩個(gè)條件的選擇.此前,我們已經(jīng)發(fā)展了利用聚苯乙烯(polystyrene,PS)的無(wú)刻蝕轉(zhuǎn)移方法,成功將云母上生長(zhǎng)的二維Bi2O2Se 轉(zhuǎn)移到二氧化硅/硅基底(285 nm SiO2/Si,簡(jiǎn)稱(chēng)硅片基底)上,并大大提高了其光電探測(cè)的性能[23].如果能進(jìn)一步直接利用硅片作為基底,進(jìn)行二維Bi2O2Se 的化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng),那將節(jié)省生產(chǎn)合成與應(yīng)用的步驟,更加有利于加速二維Bi2O2Se 的應(yīng)用發(fā)展.

本文利用化學(xué)氣相沉積法直接在硅片基底上生長(zhǎng)了二維Bi2O2Se,拉曼(Raman)光譜確定了其特征峰在159 cm—1,原子力學(xué)顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)確定了其厚度約為51.0 nm.因?yàn)楣杵撞皇菢O性基底,不能平衡薄層Bi2O2Se自帶的z方向的極性,降低生長(zhǎng)的活化能,所以樣品的厚度較大.通過(guò)兩端法場(chǎng)效應(yīng)管晶體管輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)試,可以得到樣品的遷移率約為80.0 cm2/(V·s),在二維半導(dǎo)體中屬于較不錯(cuò)的數(shù)值.相比薄層的樣品,這個(gè)數(shù)值卻還是偏低,可能是因?yàn)闃悠泛穸忍?柵壓不能對(duì)溝道進(jìn)行有效的調(diào)控所致,同時(shí)也導(dǎo)致較低的晶體管開(kāi)關(guān)比(2500).通過(guò)分析光電探測(cè)數(shù)據(jù)可得其光電流在0.5 V 的源漏電壓下,能達(dá)到9.69 μA,光響應(yīng)度最高可以達(dá)到2.45×104A/W,光增益可達(dá)6×104.這些均是比較出色的光電探測(cè)表現(xiàn),然而由于較大的暗電流導(dǎo)致低的開(kāi)關(guān)比,同時(shí)造成探測(cè)靈敏度(5×1010Jones)不高.總結(jié)得出,硅片基底帶來(lái)了器件加工的便利性,以及集成其他二維材料制造邏輯器件的平臺(tái),卻仍需進(jìn)一步優(yōu)化,降低二維Bi2O2Se 的厚度,得到更好的性能表現(xiàn).

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 化學(xué)氣相沉積法合成

合成材料前,需要對(duì)作為生長(zhǎng)基底的硅片進(jìn)行親水處理.首先用Piranha Solutions[24](濃硫酸與過(guò)氧化氫比例為3∶1 的混合溶液)加熱30 min,接著用去離子水清洗干凈,然后用氧氣等離子體(功率100 W,流量20 sccm,standard cubic centimeter per minute,標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)處理15 min,即可得到親水性大幅改善的硅片基底.

如圖1 的示意圖所示,實(shí)驗(yàn)所用裝置為賽默飛加熱控溫分體管式爐(Thermofisher Lindberg/Blue M? 1200 ℃ Split-Hinge Tube Furnace HTF553 22C 石英管尺寸為長(zhǎng)1200 mm,外徑50 mm.實(shí)驗(yàn)所用硒化鉍和氧化鉍粉末均購(gòu)自Sigma-Aldrich,未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理.實(shí)驗(yàn)中,兩種前驅(qū)體均放置于氧化鋁坩堝中,其中裝有氧化鉍的坩堝放置于管式爐溫區(qū)正中間,硒化鉍的坩堝放置于上游,兩者相隔差不多10 cm.經(jīng)過(guò)親水處理的硅片基底放置于氟金云母(1 cm×2 cm)上,放置于石英舟內(nèi),置于下游差不多10 cm 處.首先,用油泵把反應(yīng)腔體抽至5×10—2Torr(1 Torr=133.3 Pa),接著通入130—170 sccm 的氬氣充當(dāng)惰性氣體氛圍以及載氣.調(diào)節(jié)針閥位置,使得反應(yīng)腔的壓強(qiáng)維持在100 Torr 左右.管式爐加熱程序設(shè)置為25 min 內(nèi)升溫至615 ℃,然后在615 ℃恒溫5—30 min.不同的流量和生長(zhǎng)時(shí)間可得到不同的樣品厚度,將在結(jié)果部分進(jìn)行討論.反應(yīng)完之后,爐子自然降溫至室溫附近,然后關(guān)閉油泵,用氬氣把反應(yīng)腔體充至常壓,取出樣品.

圖1 生長(zhǎng)與晶體示意圖 (a)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)示意圖;(b)Bi2O2Se 晶體結(jié)構(gòu)示意圖;(c)極性基底(云母)與非極性基底(硅基底)對(duì)樣品厚度的影響示意圖Fig.1.Schematics of synthesis setup and crystal structure: (a)Schematic of chemical vapor deposition process;(b)schematic of Bi2O2Se crystal structure;(c)schematic of the impact of polar and nonpolar substrates to the sample thickness.

2.2 材料表征

完成材料的生長(zhǎng)后,分別用光學(xué)顯微鏡(optical microscopy,OM),掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)以及X 射線(xiàn)能譜儀(energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS),拉曼光譜儀(Raman spectroscopy),原子力學(xué)顯微鏡對(duì)二維Bi2O2Se 進(jìn)行表征.光學(xué)顯微圖片是在Olympus BX51 顯微鏡上采集的.SEM 圖像以及EDS 數(shù)據(jù)是在JEOL JSM-7600F 上獲得的,加速電壓分別為15 kV和20 kV.拉曼光譜是在Witec 拉曼光譜儀下收集的,其中激發(fā)光源的激光波長(zhǎng)為532 nm,物鏡放大倍數(shù)為100,光柵為600 line/mm.AFM的數(shù)據(jù)在Asylum Research Cypher S 上獲取,接觸模式為AC air topography.

2.3 器件制備,輸運(yùn)性質(zhì)以及光電探測(cè)

樣品生長(zhǎng)完成之后,使用雙層PMMA(下層為分子量495k,濃度為A3,上層為950k,濃度為A5)進(jìn)行旋涂,轉(zhuǎn)速3000 rad/min,時(shí)間為1 min,每次加熱均為150 ℃下加熱3 min.微電極由電子束刻蝕Raith 系統(tǒng)進(jìn)行曝光,然后經(jīng)過(guò)MIBK (methyl isobutyl ketone,甲基異丁基酮)顯影和IPA(iso-propyl alcohol,異丙醇)定影.經(jīng)過(guò)顯影定影確認(rèn)電極曝光成功后,使用電子束蒸鍍系統(tǒng)鍍上5 nm Cr/100 nm Au 作為金屬接觸.電子學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)以及光電探測(cè)在MicroXact 探針臺(tái)系統(tǒng)真空條件下使用安捷倫B1500A 半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀進(jìn)行測(cè)量,所用光源為白光.

3 結(jié)果及討論

首先對(duì)二維Bi2O2Se 的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹.層狀硒氧化鉍從屬于I4/mmm 空間群,如圖1(b)所示,中間的O 原子層形成四方的原子點(diǎn)陣,上下層的Bi 原子各自分布于O 原子點(diǎn)陣間隙形成的兩套四方位點(diǎn)中的一套,而相應(yīng)的上下層Se 原子占據(jù)另外一套位點(diǎn).Bi和O 原子形成了層狀[Bi2O2]2+原子層,層間的Se 原子通過(guò)微弱的靜電力連接上下層,層間距為0.61 nm.綜上可知,二維 Bi2O2Se 并不是嚴(yán)格意義上的范德瓦耳斯材料(圖1(c),相關(guān)內(nèi)容在下文會(huì)有更進(jìn)一步的討論),這導(dǎo)致其少層樣品的遷移率會(huì)出現(xiàn)大幅下降[20].

如圖2(a)所示,通過(guò)控制較小的載氣流量(130 sccm)和較短的反應(yīng)時(shí)間(5 min),可以直接在硅片基底上得到薄層的Bi2O2Se 樣品.經(jīng)過(guò)放大可知(圖2b),其晶體尺寸可達(dá)20 μm,晶體形狀是缺角的四方形,這與f-mica 上面生長(zhǎng)的由晶格決定的四方形樣品不同.推測(cè)這是由硅片基底與fmica 以及STO 基底不一樣導(dǎo)致的.通過(guò)結(jié)構(gòu)分析可知,f-mica和STO 為縱向(z方向)極性基底,這在生長(zhǎng)過(guò)程中,可以降低同樣是有z方向極性的二維Bi2O2Se 少層樣品的活化能.因而,二維Bi2O2Se更容易在f-mica 以及STO 這樣的極性基底上成核以及生長(zhǎng).而隨著二維Bi2O2Se 樣品厚度增大時(shí),其z方向的極性就慢慢減小,此時(shí)基底的作用不明顯.如圖2(c)所示,通過(guò)加大流量(170 sccm)以及延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間(30 min),就能得到相對(duì)厚的二維Bi2O2Se 樣品,并且呈現(xiàn)出了較好的四邊形的晶體形狀,這驗(yàn)證了推測(cè).同時(shí)還發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制時(shí)間(15 min),前期生長(zhǎng)的晶形不好的少層Bi2O2Se,可以作為后期生長(zhǎng)的同質(zhì)基底(圖2(b),(d)和(e)),進(jìn)一步生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu).綜上說(shuō)明,硅片基底不利于Bi2O2Se 的成核,因此難以在硅片基底上獲得高質(zhì)量的少層樣品.

圖2 光學(xué)表征與生長(zhǎng)機(jī)理 (a)薄層Bi2O2Se 的低倍光學(xué)照片;(b)薄層Bi2O2Se 的高倍光學(xué)照片;(c)多層Bi2O2Se 光學(xué)照片;(d)多層樣品以薄層樣品作為基底生長(zhǎng)的光學(xué)照片;(e)生長(zhǎng)臺(tái)階狀樣品可能的機(jī)理示意圖Fig.2.Optical characterization and growth mechanism: (a)Optical image of thin-layer Bi2O2Se with low magnification;(b)optical image of thin-layer Bi2O2Se with high magnification;(c)optical image of multilayer Bi2O2Se;(d)optical image showing thin-layer sample as growth substrate of multilayer sample;(e)possible growth mechanism of stepped sample.

對(duì)得到的厚層的Bi2O2Se 樣品進(jìn)行材料表征.圖3(a)展示了樣品的拉曼光譜圖,圖中僅有一個(gè)位于159 cm—1的峰,與文獻(xiàn)[23]中報(bào)道的特征峰相符,證實(shí)了方形樣品確為Bi2O2Se.值得一提的是,由于Bi2O2Se 的拉曼光譜信號(hào)較弱,加上薄層的信號(hào)會(huì)更弱,因此并未能得到薄層Bi2O2Se 的拉曼光譜信號(hào).圖3(b)是Bi2O2Se 的AFM 圖像,從圖3(b)可知,整體樣品比較平整,表面有一些和基底上一樣的小顆粒,這可能是未反應(yīng)的前驅(qū)體.通過(guò)拓?fù)涓叨惹€(xiàn),可以得到樣品的厚度為51.0 nm.盡管這是我們能得到最薄的方形樣品,但是相比云母上生長(zhǎng)的樣品(小于10 nm)的厚度大了很多,其原因可能是因?yàn)楣杵皇菢O性基底.此外,通過(guò)AFM,還發(fā)現(xiàn)了臺(tái)階狀樣品(圖3(c)),這是因?yàn)楹箝L(zhǎng)的Bi2O2Se 以先長(zhǎng)的少層材料作為基底,生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)了之后,就會(huì)出現(xiàn)邊緣跟中心的厚度差(圖2(e)).圖3(e)展示了Bi2O2Se 的SEM 圖像,樣品呈較規(guī)則的方形并且較平整.仔細(xì)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)有裂痕的存在,這可能是硅片基底與Bi2O2Se 樣品的熱膨脹系數(shù)不一樣,降溫過(guò)程中導(dǎo)致的.EDS 數(shù)據(jù)能探測(cè)到Bi 原子與Se 原子的信號(hào),并且其原子比例為16.47∶32.61,接近化學(xué)計(jì)量比的1∶2,進(jìn)一步輔助證明了樣品為Bi2O2Se.

圖3 Bi2O2Se 的表征 (a)Raman 光譜;(b)和(c)AFM 表征;(d)拓?fù)涓叨惹€(xiàn)顯示臺(tái)階樣品厚度約為51 nm;(e)SEM 照片;(f)EDS 圖譜Fig.3.Characterization of Bi2O2Se: (a)Raman spectrum;(b)and (c)AFM characterization;(d)topography height profile revealing the thickness of the stepped sample is about 51.0 nm;(e)SEM image;(f)EDS spectrum.

圖4 所示為二維Bi2O2Se 微電子器件的輸運(yùn)和光電探測(cè)性能表征.實(shí)驗(yàn)中,利用硅片基底的優(yōu)勢(shì),采用兩端法以及SiO2/Si 的背柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行場(chǎng)效應(yīng)管的輸運(yùn)測(cè)試.器件加工和輸運(yùn)測(cè)試細(xì)節(jié)詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)部分.如圖4(a)所示,場(chǎng)效應(yīng)晶體管的Id-Vg輸(Id為源漏電流,Vg為柵壓)運(yùn)曲線(xiàn)顯示了n型半導(dǎo)體的特性,與此前的報(bào)道一致.根據(jù)兩端法器件的遷移率(μ2p)計(jì)算公式:,其中,L和W分別為器件溝道的長(zhǎng)度與寬度,Ci是介電層(SiO2)電容,Vd為源漏電壓.由此可得,Bi2O2Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的遷移率約為80.0 cm2/(V·s),相比文獻(xiàn)[20,23]中報(bào)道的數(shù)值低,可能是因?yàn)殚_(kāi)態(tài)電流還未達(dá)到飽和狀態(tài),因此遷移率并未完全體現(xiàn).其開(kāi)態(tài)電流達(dá)40.0 μA,閉態(tài)電流為0.016 μA,開(kāi)關(guān)比僅為2.5×103,遠(yuǎn)小于報(bào)道中薄層樣品的開(kāi)關(guān)比.這可能是因?yàn)闃悠泛穸忍?背柵結(jié)構(gòu)不能有效的調(diào)控溝道電流,從而閉態(tài)電流未達(dá)到較好的狀態(tài).同時(shí),Id-Vd輸運(yùn)曲線(xiàn)(圖4(b))顯示出在不同的Vg下,源漏電流(Id)隨著Vg的增大而增大,且其線(xiàn)性關(guān)系表明接觸金屬電極與樣品有較好的接觸[25].因此,開(kāi)關(guān)比低應(yīng)為樣品厚度太大導(dǎo)致的.

圖4 Bi2O2Se 的FET 及光電響應(yīng) (a)FET的Id-Vg 曲線(xiàn),插圖為FET 器件的光學(xué)圖片;(b)FET的Id-Vd 曲線(xiàn);(c)晶體管光電響應(yīng)的Id-Vg 曲線(xiàn);(d)光電晶體管光電開(kāi)關(guān)響應(yīng)的Id-t 曲線(xiàn)Fig.4.FET and Phototransistor performance of Bi2O2Se: (a)FET Id-Vg curve,inset is optical image of FET device;(b)FET Id-Vd curve;(c)phototransistor Id-Vg curve;(d)phototransistor on/off sensing Id-t curve.

使用探針臺(tái)的白光作為光源對(duì)器件的光電探測(cè)性能進(jìn)行測(cè)試.圖4(c)展示了在不同光強(qiáng)下的Id-Vg曲線(xiàn),可以看見(jiàn),隨著光強(qiáng)的增大,光響應(yīng)電流(Iph)不斷增大,在0.5 V的Vd下,由—60 V 的柵壓下的0.144 μA 到60 V 的柵壓下的9.69 μA,是相當(dāng)優(yōu)異的光電響應(yīng)表現(xiàn).這與通過(guò)開(kāi)關(guān)光源的電流開(kāi)關(guān)響應(yīng)測(cè)試Id-t曲線(xiàn)得到的數(shù)值,—60 V 的柵壓下0.152 μA 以及60 V 柵壓下的6.5 μA,相差不大(圖4(d)).同時(shí),光電流開(kāi)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大約為38 ms,關(guān)態(tài)回落時(shí)間大概為50 ms[26],均是二維材料中較優(yōu)異的數(shù)值[23].

對(duì)得到的光電探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析(見(jiàn)圖5).首先是光響應(yīng)電流Iph在不同的柵壓下隨光源功率(P)的變化.如圖5(a)所示,在柵壓為—60 V時(shí),光電流隨功率的變化呈現(xiàn)I-P1.03的相關(guān)性,是較好的線(xiàn)性關(guān)系,而當(dāng)柵壓為60 V 時(shí),其相關(guān)性變化為I-P0.748,線(xiàn)性關(guān)系有所下降.究其原因,應(yīng)該是在—60 V 的柵壓下,電流密度較低,載流子濃度不高,散射以及復(fù)合等因素不顯著,因而線(xiàn)性關(guān)系較好.相比之下,60 V 的柵壓下,電流密度大,載流子濃度高,散射以及復(fù)合等因素增強(qiáng),線(xiàn)性關(guān)系下降[27].圖5(b)展示了光電探測(cè)的重要參數(shù)光響應(yīng)度(photoresponsivity):RIph/P(其中P為光源的功率)在不同柵壓下與功率強(qiáng)度的關(guān)系.由圖5(b)可知,在—60 V 的柵壓時(shí),雖然光響應(yīng)度只有200 A/W,但是光響應(yīng)度不隨功率增強(qiáng)而改變,說(shuō)明了較好的線(xiàn)性關(guān)系以及光電轉(zhuǎn)化效率.而當(dāng)柵壓為60 V 的時(shí)候,其光響應(yīng)度可達(dá)2.45×104A/W,與文獻(xiàn)中報(bào)道的數(shù)值相近.但是隨著光強(qiáng)的增加,出現(xiàn)了光響應(yīng)度反而下降的趨勢(shì),說(shuō)明了散射以及復(fù)合等因素的增強(qiáng).這種趨勢(shì)同樣體現(xiàn)在光增益(Photogain):GRhν/ηq(其中η是外量子效率,q是電子電荷量,h是普朗克常數(shù),ν是入射光的頻率)的變化中.在—60 V 的柵壓時(shí),雖然光增益只有不到500,但是不隨功率增強(qiáng)而改變.而當(dāng)柵壓為60 V 的時(shí)候,其光增益可達(dá)6×104,但是隨著光強(qiáng)的增加而下降.探測(cè)靈敏度(detectivity):D*RA1/2/(2eIdark)1/2(其中,R是響應(yīng)度,A是器件面積,e是單位元電荷,Idark是暗電流的大小)是光電探測(cè)器件的另一個(gè)重要參數(shù).如圖5(d)所示,隨著柵壓由—60 V 向60 V 變化,得益于較大的響應(yīng)度,D*從1×1010Jones 增大到5×1010Jones[28,29].但D*相比文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值要小很多,根據(jù)上述公式,可能是因?yàn)榘惦娏魈蟮脑?這是厚度太大造成柵壓的調(diào)控有限造成的,上文已經(jīng)論述過(guò).同時(shí)可以看出,光電流開(kāi)關(guān)比是很低的,而且相反趨勢(shì)地從5.5 降至1.7,說(shuō)明其光電流增大的比例,并不及暗電流增大的幅度,因?yàn)檩d流子散射與復(fù)合等增強(qiáng)的因素.

圖5 Bi2O2Se 光電晶體管性能分析 (a)不同柵壓下,Iph 與光強(qiáng)的關(guān)系;(b)不同柵壓下,光響應(yīng)度與光強(qiáng)的關(guān)系;(c)不同柵壓下,光增益與光強(qiáng)的關(guān)系;(d)光檢測(cè)靈敏度以及開(kāi)關(guān)比與柵壓的關(guān)系Fig.5.Analysis of Bi2O2Se phototransistor data: (a)The relationship of photocurrent(Iph)with light source power under different backgate voltages;(b)the relationship of photoresponsivity (R)with light source power under different backgate voltages;(c)the relationship of photogain(G)with light source power under different backgate voltages;(d)the relationship of detectivity(D)and on/off ratio with backgate voltage.

4 結(jié)論

本工作成功在硅片基底上利用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)了25 μm 長(zhǎng),51.0 nm 厚的二維Bi2O2Se,并用AFM,SEM,EDS,Raman 光譜對(duì)樣品進(jìn)行了表征.探討了硅片上薄層樣品不規(guī)則,多層樣品厚度較大的原因,可能是因?yàn)楣杵撞皇菢O性基底,沒(méi)辦法平衡薄層樣品本身自帶的z方向的極性,從而降低生長(zhǎng)的活化能.利用兩端法場(chǎng)效應(yīng)管晶體管對(duì)二維Bi2O2Se 就行輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)試,得到樣品的遷移率為80.0 cm2/(V·s).這是一個(gè)二維半導(dǎo)體中較不錯(cuò)的數(shù)值,但是相比薄層的樣品還是偏低,可能是因?yàn)闃悠泛穸忍?柵壓不能對(duì)溝道進(jìn)行有效的關(guān)閉所致,也導(dǎo)致較低的開(kāi)關(guān)比(2500).對(duì)二維Bi2O2Se 的光電性能進(jìn)行探測(cè),其光電流在0.5 V 的源漏電壓下,能達(dá)到9.69 μA,光響應(yīng)度最高可以達(dá)到2.45×104A/W,光增益可達(dá)6×104是比較出色的光電探測(cè)表現(xiàn).然而由于較大的暗電流導(dǎo)致低的開(kāi)關(guān)比,同時(shí)造成探測(cè)靈敏度(5×1010Jones)不高.總而言之,硅片基底提供了器件加工的便利性,以及更多材料組合制造邏輯器件的平臺(tái).希望后期能夠進(jìn)一步優(yōu)化,包括極性或者疏水性等,能進(jìn)一步降低二維Bi2O2Se 的厚度,從而得到薄層材料更加優(yōu)異的性能.