Einfache Herstellung von selbstorganisierten ZnO-Nanodraht-Netzwerkkanälen und deren gategesteuerte UV-Detektion

Hintergrund

Es ist bekannt, dass eindimensionale Nanomaterialien aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, gut orientierten, einheitlichen Kristallstrukturen und gerichteten Ladungstransportpfaden verschiedene Vorteile gegenüber anderen filmartigen oder voluminösen Materialien haben, die eine hohe Geräteleistung und eine einfache Geräteherstellung ermöglichen [1 , 2]. Insbesondere aufgrund ihrer einzigartigen Dimensionalität wurden halbleitende Nanodrähte (NWs) in verschiedenen Anwendungen wie Energieumwandlung, Speicher, optische Geräte und Sensoren verwendet [3,4,5,6,7,8,9]. Unter ihnen haben Zinkoxid(ZnO)-NWs ausgezeichnete Halbleitereigenschaften mit einer großen direkten Bandlücke von 3,37 eV und einer hohen Genauigkeitsbindungsenergie von 60 meV bei Raumtemperatur gezeigt [10]. Außerdem ist ZnO als umweltfreundlich, natürlich reichlich vorhanden und kostengünstig in der Produktion bekannt [11]. Daher wurde ZnO auf einer Vielzahl von Gebieten eingesetzt, darunter Leuchtdioden [12, 13], Laserdioden [14], Solarzellen [15,16,17,18], Photodetektoren [19,20,21,22 ,23], transparente Feldeffekttransistoren [24,25,26], Generatoren [27, 28] und chemische Sensoren [29, 30]. Inzwischen wurden UV-Sensoren auf der Basis von ZnO-NWs demonstriert [31,32,33], aber die Geräte waren schwierig herzustellen. Diese Verfahren zum Herstellen von ZnO-NW-Netzwerkvorrichtungen umfassen im Allgemeinen elektrodenabgeschiedene ZnO-NW-Beschichtungsfilme, gefolgt von einem Ätzprozess, um den Kanal zu definieren. Dieses Verfahren ist schwierig, physikalische Dimensionen wie die Einstellung der ZnO-Kanalbreite zu kontrollieren. Um diese Probleme zu überwinden, wurde ein Verfahren zum hydrothermalen Wachstum von ZnO NW auf vorstrukturierten Schichten untersucht, jedoch sind zusätzliche Ätz- und/oder hydrothermale Wachstumsprozesse erforderlich. Derzeit vorgeschlagene Verfahren zur Strukturierung von ZnO-Nanodrähten wie das laserinduzierte selektive Wachstum [34, 35] oder das hydrothermale Wachstum von ZnO-NWs mit lokalisierten Heizern [36] beinhalten kostenintensive Hochtemperaturprozesse. Es gibt auch einen Fall, in dem ein vertikal gewachsenes ZnO-Nanodraht-Array-Netzwerk verwendet wird, um ausgerichtete Nanodraht-Array-Netzwerke mit Steuerbarkeit der Geräteeigenschaften zu verwenden [37], aber dies erfordert auch viel Aufwand, um Vakuumausrüstung wie CVD zu benötigen, und ist nicht geeignet für große Fläche und kostengünstige Produktion. Es wurde ein Niedrigtemperaturprozess mit kostengünstiger Produktion basierend auf Mikrokontaktdruck [38] oder Tintenstrahldruck vorgeschlagen [39], aber die Kontrolle der NW-Dichte und der entsprechenden Geräteeigenschaften bleibt immer noch eine Herausforderung.

In dieser Arbeit demonstrieren wir eine hoch reproduzierbare und einfache Methode zur Herstellung von Arrays von Gate-gesteuerten UV-Sensoren basierend auf ZnO-NW-Netzwerk-Feldeffekttransistoren (FET) durch Selbstorganisation auf molekular strukturierten Substraten und Wärmebehandlung. Die ZnO NW Netzwerkkanäle haben eine Geräteausbeute von 90 % bei mittleren Widerstandswerten von einigen hundert kΩ. Es wird angenommen, dass die Nachwärmebehandlung die Wirkung hat, die restlichen organischen Lösungsmittel zu entfernen und den elektrischen Kontakt zwischen den NWs zu verbessern. Die FET-Bauelemente auf ZnO-NW-Basis zeigten n-Typ-Eigenschaften mit einem Ein-Aus-Verhältnis von 10 ⁵ , Transkonduktanz etwa 47 nS und Mobilität etwa 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Die physikalischen Eigenschaften können durch Ändern der NW-Assembly-Bedingungen wie Molekülmuster, NW-Dichte in Lösung, Ziehgeschwindigkeit usw. gesteuert werden. Schließlich haben wir erfolgreich Arrays von ZnO-UV-Sensoren mit steuerbarer Photoempfindlichkeit und Reaktionszeit durch die angelegte Gatespannung realisiert. Die an den n-Typ-FET angelegte negative Gate-Spannung minimierte den Anfangsstrom aufgrund der Verarmung des ZnO-NW-Kanals. Tatsächlich wurde die maximale Photoempfindlichkeit gegenüber UV-Licht bei einer Gate-Spannung unter - 55 V gefunden und die Photoempfindlichkeit war proportional zur Kanalspannung V _ds , zeigt maximale Lichtempfindlichkeit bei V _ds = 7 V. Darüber hinaus erleichterte die negative Gate-Spannung die Erholung des Geräts nach der UV-Belichtung. Es sollte beachtet werden, dass, obwohl über frühere Berichte über ZnO NW-Netzwerkgeräte berichtet wurde [34, 35], unsere ZnO NW-Geräte ZnO NW-Strukturen mit kontrollierbarer Kanalbreite und -dicke aufweisen, ohne dass ein chemisches oder Plasmaätzverfahren verwendet wird. Dieser milde Prozess in Kombination mit einer Wärmebehandlung unterhalb der ZnO-Rekristallisationstemperatur (~ 400 °C) führte zu einer einfachen Herstellung von Gate-gesteuerten UV-Sensoren in großem Maßstab mit hohem Ein-Aus-Verhältnis und Lichtempfindlichkeit. Wir erwarten, dass unsere Prozess- und Geräteleistung den Kommerzialisierungsprozess von ZnO-NW-basierten Anwendungen beschleunigen wird.

Methoden

ZnO NW-Netzwerk-FET-Fertigung

ZnO-NWs mit einer Länge von 2–3 μm und einem Durchmesser von 200 nm wurden von Sigma-Aldrich, Inc., USA, bezogen. Die NWs wurden durch Beschallung für 3 s auf eine Konzentration von 1 Gew.-% in Dichlorbenzol (DCB) dispergiert. Zur Herstellung der molekular strukturierten Substrate wurde Photoresist (AZ 5214E) auf einem SiO2-Substrat (300 nm dickes SiO2 auf 500 µm dickem p-dotiertem Si-Wafer) durch ein typisches Photolithographieverfahren strukturiert. Dann wurde das Substrat in 1:500 v . getaucht /v Octadecyltrichlorsilan (OTS) in Hexan ca. 3 min [40]. Während dieses Prozesses wurde eine Monoschicht von OTS-Molekülen auf der Oberfläche des freigelegten SiO₂ . selbstorganisiert Region, um eine unpolare OTS-Region zu schaffen. Nach der OTS-Behandlung wurde das Substrat 2 Minuten in Aceton getaucht, um den durch Fotolack geschützten Bereich zu entfernen, wodurch das polare SiO₂ . freigelegt wurde Regionen, auf denen die ZnO-NWs aufgebaut werden sollen. Die selbstorganisierten OTS-Monoschichten haben eine Methyltermination, die sie zu einer unpolaren Region macht. Andererseits fungiert die SiO2-Oberfläche als polare Region aus ihren Hydroxylgruppen (OH). Für die ZnO-NW-Montage wurde das Substrat in die NW-Lösung getaucht und mit einer kontrollierten Ziehgeschwindigkeit im Bereich von 0,5 bis 10 mm min ^-1 . gezogen . Die ZnO-NW-Lösung wurde während des Ziehvorgangs bei 100 U/min mit einem Magnetstab gerührt, um eine NW-Aggregation und -Ausfällung zu verhindern. Wenn das Substrat gezogen wurde, schritt die Verdampfung in der Nähe der Luft-Suspension-Substrat-Grenzfläche am schnellsten voran, was zur selektiven Adsorption von ZnO-NWs auf dem polaren SiO₂ . führte -Region aufgrund der Van-der-Waals-Kraft, während die unpolaren OTS-Regionen vermieden werden. Nach der ZnO-NW-Montage auf dem Substrat wurden Elektroden (Ti/Al, 10/300 nm) durch thermische Abscheidung abgeschieden, gefolgt von einem Abhebeprozess.

Wärmebehandlungsprozess

Die Wärmebehandlung wurde bei einem Druck von 1 Torr in einer Ar-Umgebung in einem Ofen durchgeführt. Die Temperatur wurde während 3 Minuten auf 110 °C erhöht und 10 Minuten konstant gehalten, um alle verbleibenden Lösungsmittel zu verdampfen. Dann wurde die Temperatur während 3 Minuten auf 300 °C erhöht und für 10 Minuten konstant gehalten, um die Inter-NW-Grenzfläche zu verbessern und die Potenzialbarrieren und den Kontaktwiderstand zwischen den NWs zu reduzieren [41]. Danach wurde die Probe 1 h lang auf Raumtemperatur abgekühlt und dann aus dem Ofen genommen.

Messung der elektrischen und photoresponsiven Eigenschaften von ZnO-NW-Netzwerk-FETs

Die elektrischen Eigenschaften wie I-V-Eigenschaften und Gate-Eigenschaften wurden unter Verwendung einer Probestation gemessen, die mit einem Halbleiterparameteranalysator (4200A-SCS, Keithley, USA) ausgestattet war. Die Source-Drain-Spannung wurde von 0 V bis 7 V gescannt. Die Gatespannung wurde von - 60 V bis + 60 V gesweept. Aus den Gate-abhängigen I-V-Kennlinien berechneten wir die Steilheits- und Mobilitätswerte [42, 43] . Um jegliche Einflüsse der Umgebung auf den Widerstand der NW-Kanäle zu vermeiden, wurden die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit während der Messungen konstant bei 23 ± 1 °C bzw. 35 ± 1% gehalten. Für die Messung der UV-Photoreaktion beträgt die Source-Drain-Spannung V _ds wurde bei 7 V gehalten. Die UV-Quelle war eine tragbare UV-Lampe (Spectroline ENF-260C/FE, USA) mit einer Anregungswellenlänge von 365 nm und einer Leistungsdichte von 350 μW cm ⁻² .

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm, das die Vorbereitung von perkolierenden ZnO-NW-Netzwerkkanälen und die anschließende Wärmebehandlung beschreibt. Zuerst wurde ein Substrat mit OTS-Muster in ZnO NW-Suspension (1 Gew.-% in Dichlorbenzol) getaucht und mit einem hausgemachten Ziehsystem bei verschiedenen Ziehgeschwindigkeiten von 0,5 mm min ⁻¹ . aus der ZnO NW-Suspension gezogen bis 10 mm min ⁻¹ (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1). Während des Ziehprozesses wurde ein flüssiger Meniskus, der ZnO-NWs enthielt, gegen das OTS-gemusterte Substrat gezogen. Die ausschließlich auf dem exponierten SiO₂ . assemblierten ZnO-NWs Kanalregionen. Wie im Einschub von Fig. 2a gezeigt, wurden mit unserem Herstellungsverfahren insgesamt 100 Bauelemente auf 4-Zoll-Wafern hergestellt. Abbildung 2a zeigt das optische Bild eines perkolierenden ZnO-NW-Netzwerkkanals, und der Einschub zeigt das FET-Bauelementarray. Der durchschnittliche Durchmesser eines ZnO NW betrug 200 nm, die NW-Länge betrug 2~3 μm, die Kanallänge und -breite betrugen 6 μm bzw. 20 μm. Nach der ZnO-NW-Montage wurden die Source-Drain-Elektroden durch eine konventionelle Photolithographietechnik, thermische Metallabscheidung (10 nm Ti, 300 nm Al) und einen Abhebeprozess hergestellt.

Schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens eines ZnO-NW-Netzwerk-FET. Aufbau von ZnO-NWs auf molekular strukturierten Substraten mittels Ziehverfahren

Kanalbildung und Dickensteuerung von ZnO-NW-Netzwerk-FET-Bauelementen. a Vergrößertes optisches Bild eines 6 μm langen NW-Netzwerkkanals und Al-Elektroden. Der Einschub ist eine optische Mikroaufnahme von 10 × 10 Array-Geräten mit mikrostrukturierten Kanälen. b Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahmen, die den selektiven Aufbau von ZnO-NWs zu Linienmustern mit unterschiedlichen Linienbreiten von 5, 10 und 20 μm zeigen. c AFM-Bild des ZnO-NWs-Netzwerks. d Durchschnittliche Verteilung der Höhe im Vergleich zur Ziehgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Ziehgeschwindigkeiten von 0,5~ 10 mm min ⁻¹ . Der Einschub zeigt das AFM-Höhenprofil für verschiedene Ziehgeschwindigkeiten von 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Wie in Abb. 2b gezeigt, konnten wir ZnO-NW-Muster mit verschiedenen Linienbreiten von 5, 10 und 20 μm durch Ändern des SiO₂ . erhalten Größe des Regionsmusters. Die umgebenden OTS-Regionen sind aufgrund der Methylterminals der OTS-Moleküle unpolar. Es wird angenommen, dass die NWs nur auf dem polaren SiO₂ . adsorbiert werden Regionen durch Van-der-Waals-Wechselwirkung [40]. Der selektive Aufbau von ZnO-NWs wurde auch mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) bestätigt (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S2). Hier waren die Zn-Signale auf die Regionen mit ZnO-NWs beschränkt.

Die physikalischen Eigenschaften der perkolierenden ZnO-NW-Netzwerkkanäle wie Dicke und Dichte wurden durch Modulieren der Substratziehgeschwindigkeit aus der NW-Lösung während der NW-Montage gesteuert. Abbildung 2c zeigt die AFM-Bilder (Atomkraftmikroskopie) von ZnO-NW-Netzwerken, die bei unterschiedlichen Ziehgeschwindigkeiten von 0,5, 2 und 10 mm min ⁻¹ . aufgebaut wurden . Das durchschnittliche Höhenprofil gegenüber der Zuggeschwindigkeit ist in Abb. 2d gezeigt. Die NW-Dichte betrug 1,21 NW μm ⁻² bei Ziehgeschwindigkeit 0,5 mm min ⁻¹ , und 0,09 NW μm ⁻² bei 10 mm min ⁻¹ . Die Dicke des NW-Kanals wurde durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit erhöht. Die Höhe des NW-Kanals war normalerweise etwa 1,5–2 mal höher als der durchschnittliche NW-Durchmesser von 200 nm bei der langsamsten Geschwindigkeit 0,5 mm min ⁻¹ (Abb. 2d, Einschub). Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 10 mm min ⁻¹ , erreichte die Netzwerkverbindung das Perkolationslimit, über das hinaus keine Verbindung mehr im Netzwerk angezeigt wurde. Aktuelle Verfahren zur Herstellung von ZnO-NW-Netzwerkvorrichtungen beinhalten im Allgemeinen Elektrodenabscheidung mit einem ZnO-NW-beschichteten Film, gefolgt von einer Art Ätzprozess, um die Kanäle zu definieren [38, 39]. Dieses Verfahren ist schwierig, die physikalischen Abmessungen, wie die Einstellung der ZnO-Kanalbreite, zu kontrollieren. Um diese Probleme zu überwinden, wurde ein Verfahren untersucht, das hydrothermales Wachstum von ZnO-NWs auf vorstrukturierten Schichten verwendet [44, 45], aber es erfordert auch zusätzliche Ätzprozesse und/oder hydrothermale Wachstumsprozesse, die Zeit und Kosten erfordern. Im Gegensatz dazu kann unsere Methode die Breite und Länge eines Kanals leicht kontrollieren, indem der Kanal zuvor mit OTS-Molekülen gemustert und dann die NWs durch ein Ziehsystem zusammengesetzt werden.

Die elektrischen Eigenschaften können auch durch Modulation der Zuggeschwindigkeit gesteuert werden. Abbildung 3 zeigt die elektrischen Eigenschaften vor der Wärmebehandlung. Abbildung 3a zeigt die Änderung der I-V-Charakteristik bei unterschiedlichen Zuggeschwindigkeiten. Wenn die Ziehgeschwindigkeit von 2 auf 0,5 mm min ^–1 . verringert wurde , stieg der Anfangsstrom von 5 auf 50 nA bei 1 V. Dies ist vermutlich auf die erhöhte Netzwerkkonnektivität mit erhöhter NW-Dichte im Kanal zurückzuführen. Die typischen Gate-abhängigen I-V-Kennlinien eines ZnO-NW-FET, hergestellt bei 2 mm min ⁻¹ Zuggeschwindigkeit sind in Abb. 3b, c gezeigt. Abbildung 3b zeigt die I-V-Kennlinien bei unterschiedlicher Gate-Spannung V _g Werte (von − 60 V bis 60 V in 20 V-Schritten). Das Ich _ds -V _g Gate-Kennlinien in Abb. 3c zeigen typische n-Typ-Kennlinien mit einem um fünf Größenordnungen erhöhten Ein-Aus-Verhältnis vom Ausschaltstrom von 3 pA auf 556 nA und einem verringerten Ausschaltstrom, wenn die Ziehgeschwindigkeit von 0,5 auf 2 mm . erhöht wurde min ⁻¹ (siehe Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3). Dieser Anstieg des Ein-Aus-Verhältnisses mit verringerter Filmdichte kann dadurch erklärt werden, dass der Kanal stärker durch das elektrische Feld vom Backgate beeinflusst wird, wenn wir den NW-Kanal dünner machen [46]. Außerdem wirkt sich die Ziehgeschwindigkeit auf den Geräteertrag und die Zwei-Sonden-Widerstandshäufigkeitsverteilung aus (zusätzliche Datei 1:Abbildung S4). Der Widerstand zeigt einen Durchschnittswert von 28,2 ± 4 MΩ und ~ 92 % Ausbeute bei 0,5 mm min ⁻¹ . Die Verteilung verschiebt sich jedoch auf 877 ± 280 MΩ und ~ 78 % Ausbeute bei 2 mm min ⁻¹ Zuggeschwindigkeit. Der Ertrag ist hier definiert als der Anzahl-Anteil der Geräte mit messbaren Widerstandswerten über dem Geräterauschen.

Konnektivität und elektrische Eigenschaften des ZnO-NW-Netzwerks durch Steuerung der Zuggeschwindigkeit. a Elektrische Eigenschaften des ZnO-NWs-Netzwerk-FET der Ziehgeschwindigkeit 0,5 und 2 mm min ⁻¹ . Typische Strom-Spannungs-Kennlinien von Geräten, die bei unterschiedlichen Ziehgeschwindigkeiten von 0,5 und 2 mm min ⁻¹ . hergestellt wurden . Die Netzwerkkanäle zeigten Schottky-Kontakt von − 1 bis 1 V. Die Einschübe sind SEM-Bilder des Netzwerkkanals bei 0,5 (oben links) und 2 (unten rechts) mm min ⁻¹ . Die Maßstabsbalken betragen in beiden Fällen 10 μm. b Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener Back-Gate-Spannungen. V _g reichte von − 60 V bis 60 V in 20 V-Schritten. c Ich _ds gegen V _g Beziehungen von ZnO NWs Netzwerkkanal hergestellt an verschiedenen V _ds . V _ds im Bereich von 0 bis 7 V in 1 V-Schritten

Hier weist die Gate-Kennlinie des FET kein sauberes Sättigungsregime auf. Nach früheren Berichten zeigte das ZnO-NW-Netzwerk kein sauberes Sättigungsregime, möglicherweise aufgrund der erhöhten Ladungsträgerstreuung durch den komplexen NW-Netzwerkpfad, die große Oberfläche und die Korngrenzen an den NW-Übergängen [47]. Unser ZnO-NW-Netzwerk bildet eine Reihe von Pfaden zwischen einer Quelle und einer Senke. Außerdem ZnO-NW-Netzwerkkanal mit einer Dicke von bis zu etwa 0,4 μm (Abb. 2d). Die ungleichmäßige Dicke des Nanodrahts verursacht für jeden Nanodraht einen unterschiedlichen Abstand zum Gate, und der Modulationsgrad ist geringfügig unterschiedlich. Daher weist die FET-Charakteristik kein sauberes Sättigungsregime wie ein einzelner Nanodraht-FET auf.

Die elektrischen Eigenschaften von Geräten im Produktionszustand können durch einen anschließenden Wärmebehandlungsprozess verbessert werden, um die Gleichmäßigkeit der elektrischen Eigenschaften zu verbessern und den Kontaktwiderstand zwischen den NWs weiter zu senken [41]. Die Wärmebehandlung wurde unter Niederdruckbedingungen bei 300 °C für 10 Minuten durchgeführt, während Ar-Gas mit 100 sccm strömte (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S5). Abbildung 4 zeigt die Änderung der elektrischen Eigenschaften der Proben, die bei 2 mm min ⁻¹ . hergestellt wurden Zuggeschwindigkeit. Nach der Wärmebehandlung stieg der Strom bei 1 V Vorspannung von 600 nA auf 6,5 μA (Abb. 4a). Die Widerstandshäufigkeitsverteilung in Abb. 4b zeigt einen Abfall des durchschnittlichen Widerstands von 877 ± 280 MΩ auf 207 ± 37 kΩ, etwa um die dritte Größenordnung. Außerdem stieg die Geräteausbeute von 78 auf 90 %, vermutlich aufgrund des verbesserten elektrischen Kontakts zwischen den NWs. Wir haben uns darauf konzentriert, die Vorteile der NW-Verbindungsverbesserung durch Wärmebehandlung zu nutzen. Aus diesem Grund wurde die Temperatur nicht auf mehr als 400 °C erhöht, wo ZnO rekristallisiert. Es wurde berichtet, dass eine solche Rekristallisation die Sauerstoffdesorptions- und -adsorptionseigenschaften an der ZnO-Oberfläche während der UV-Bestrahlung beeinflusst [41]. Um nur die Verbesserung der Verbindung zwischen den NWs durch die Wärmebehandlung zu erzielen, wurde daher eine Wärmebehandlung bis zu 300 °C durchgeführt, um die Grenzfläche zwischen den NWs zu verbessern. Dies führte zu einer Verbesserung der elektrischen Stabilität und der Eigenschaften. Wir glauben, dass unser Wärmebehandlungsprozess die adsorbierenden Moleküle wie Feuchtigkeit oder Hexamethylentetramin (HMTA) entfernen könnte, da unsere Prozesstemperatur höher als der Schmelzpunkt von HMTA (290 °C) ist. Dies führte zu einer Verbesserung der NW-FET-Leistung, da die Verbindung zwischen den NWs verbessert und andere adsorbierende Moleküle entfernt werden, die die Leistung der NWs verschlechtern, wie z. B. Feuchtigkeit.

ZnO NWs vernetzen die elektrischen Eigenschaften nach der Wärmebehandlung. a Typische Strom-Spannungs-Kennlinien vor und nach dem Glühen der Ziehgeschwindigkeit 2 mm min ⁻¹ . Die Netzwerkkanäle zeigten Schottky-Kontaktverhalten. (Einschub) I–V-Kennlinien vor dem Tempern, vergrößert. b Widerstandshäufigkeitsverteilung des mit einer Geschwindigkeit von 2 mm min gezogenen ZnO-NWs-Netzwerks ⁻¹ . Der durchschnittliche Widerstand nahm um etwa drei Ordnungen ab. (c ) I–V-Kennlinien bei unterschiedlichen Back-Gate-Spannungen. V _g reichte von − 60 V bis 60 V in 20 V-Schritten. d Elektrische Eigenschaften von I _ds gegen V _g nach der Wärmebehandlung. e Vergleich von I /Ich _aus Verhältnis bei verschiedenen V _g Werte vor und nach der Wärmebehandlung (V _g Schritt = 5 V). f Verbesserte Transkonduktanz durch Wärmebehandlung

Das typische Ich _ds -V _ds und ich _ds -V _g Kennlinien eines ZnO-NW-FET sind in Abb. 4c, d gezeigt. Abbildung 4e zeigt, dass ich _ds -V _g Kennlinien sind vor und nach der Wärmebehandlung ähnlich, und das maximale I _an /ich _aus Das Verhältnis beträgt ~ 2 × 10 ⁵ . Dies weist darauf hin, dass die Wärmebehandlung nur die Verbindung zwischen den NWs verbessert, um den Widerstand zu senken und keine Änderung der intrinsischen elektrischen Eigenschaften verursacht. Abbildung 4f zeigt die Verbesserung der Steilheit dI _ds /dV _g nach Wärmebehandlung, was auf die erhöhte Elektronenmobilität im ZnO-NW-Gerät zurückgeführt werden kann. Die maximale Transkonduktanz (g _m = dI _ds /dV _g ) wurde aus der maximalen Steigung des I . extrahiert _ds -V _g Eigenschaften und das maximale Ein-Aus-Verhältnis bei 7 V von V_ds . (Zusätzliche Datei 1:Abbildung S6). Die berechnete maximale Steilheit betrug ~ 47 nS bei V _g = − 30 V. Wir haben die Formel μ . verwendet = g _m ·L /(W ·C _d ·V _ds ) für die Berechnung der geschätzten Mobilität [48]. Die Mobilität wurde mit 0,175 cm ² . berechnet V ⁻¹ s ⁻¹ . Dies ist vergleichbar mit zuvor gemeldeten Werten von 0,018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ unter Verwendung von ZnO NWs Device Array [49].

Schließlich beobachteten wir die UV-Photoantwort der ZnO-Netzwerk-FETs und ihre Abhängigkeit von der Gatespannung. Abbildung 5a zeigt die I-V-Kennlinien bei UV-Beleuchtung bei einer anderen Gate-Spannung (von − 60 V bis 60 V, in 20 V-Schritten). Das Ich _ds -V _g Charakteristiken unter UV-Beleuchtung in Abb. 5b zeigen ein verringertes Ein-Aus-Verhältnis. Das UV-Licht hatte die Wirkung, den Ausschaltstrom des n-Typ-FET-Bauelements zu erhöhen, indem ein photoangeregter Träger erzeugt wurde. Abbildung 5c zeigt die Differenz des gemessenen Stroms für den Ein- und Ausschaltzustand des UV-Lichts. Die UV-Photoempfindlichkeit (I _Licht /ich _dunkel :Verhältnis von Fotostrom zu Dunkelstrom) variiert in Abhängigkeit von der angelegten Gatespannung und zeigt den maximalen Verhältniswert von 8,6 × 10 ⁵ bei V_g − 55 V oder weniger. Der Einschub von Abb. 5c zeigt I _ds -V _g Eigenschaften mit und ohne UV-Beleuchtung bei V_ds = 7 V (V _ds -ich _ds Eigenschaften in Zusatzdatei 1:Abbildung S7). Abbildung 5d zeigt eine lineare Beziehung zwischen dem I _Licht /ich _dunkel und das Ein-Aus-Stromverhältnis (I _an /ich _aus ). Das Ich _an /ich _aus Erhöhung führt zur Verbesserung der UV-Photoempfindlichkeit. Um die Verbesserung mit einer Erhöhung des aktuellen Wertes zu zeigen V _ds , zeichnen wir die Daten von Fig. 5d als Ein-Aus-Wert entsprechend dem Strom (Einschub). Dann das V _g = − 60 V und V _ds = 7 V-Bedingung war die optimale Bedingung, bei der I _Licht /ich _dunkel Das Verhältnis war maximal, wenn man vor und nach der UV-Beleuchtung vergleicht.

UV-Erfassungseigenschaften von ZnO-NW-FETs. a I–V-Kennlinien unter UV-Beleuchtung bei verschiedenen Back-Gate-Spannungen. V _g reichte von − 60 V bis 60 V in 20 V-Schritten. b Elektrische Eigenschaften von I_ds vs V_g unter UV-Beleuchtung. c Ich _licht /Ich _dunkel als Änderung der Gatespannung. Maximales I _licht /Ich _dunkel wurde um V . erhalten g ~ − 55 V. Einschub, I _ds -V _g Eigenschaften unter UV-Beleuchtung und im Dunkeln. d Lineare Beziehung zwischen Foto-/Dunkelstromverhältnis (I _licht /Ich _dunkel ) und anfängliches Ein-Aus-Stromverhältnis (I _an /Ich _aus ) des ZnO-NW-FET. Der Einschub zeigt das anfängliche I _an /Ich _aus Verhältnis für verschiedene V _ds . Das Maximum Ich _an /Ich _aus Verhältnis war bei V _ds = 7 V. e Photoresponse des ZnO-NW-Netzwerk-FET-Photodetektors mit und ohne UV-Beleuchtung in der Luft. Der Einschub zeigt exponentielle Abklingeigenschaften nach dem Ausschalten des UV-Lichts. f Zeitaufgelöste Photoreaktion der ZnO NW Netzwerkkanalgeräte, die durch Ein- und Ausschalten des UV-Lichts aufgezeichnet wurde

Ich _ds -V _g Charakteristiken unter UV-Licht zeigten, dass der Transistor von einem halbleitenden Zustand (Abb. 4c) in einen leitenden (Akkumulations-)Zustand (Abb. 5b) wechselte. Es ist zu erwarten, dass diese Änderung die Konzentration der photoangeregten Träger unter UV-Licht auf ein degeneriertes Niveau erhöht [50]. Das Ich _Licht /Ich _dunkel Das Verhältnis unserer Geräte betrug etwa 2 × 10 ⁴ , 10 und 6, bei Gatespannungen von − 60 V, 0 V bzw. 60 V (Abb. 5e). Dies zeigt, dass die UV-Photoempfindlichkeit durch die Gatespannung eingestellt werden kann. Als V _g verringert, die Lichtempfindlichkeit erhöht.

Wir verglichen die Photoresponsivitätsleistung von ZnO NW-Netzwerk-basierten Photodetektoren aus anderen Studien. CVD-gewachsene ZnO-Nanodraht-Arrays zeigten beispielsweise eine UV-Photoempfindlichkeit (I _Licht /Ich _dunkel ) von ~ 10 ⁴ [33, 51]. In unserem Fall konnten wir eine ähnliche Empfindlichkeit des Photodetektors von 2 × 10 ⁴ . erreichen ohne Einsatz von Hochtemperatur- und/oder Hochvakuumprozessen. Andere Studien mit Methoden wie Tintenstrahldruck [47] oder vertikal ausgerichteten Nanodrähten [52] zeigten eine Lichtempfindlichkeit von 10 ³ bis 10 ⁴ , die vergleichbar oder etwas niedriger sind als unsere Studie (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S8). Darüber hinaus zeigt unsere Forschung Gate-steuerbare Eigenschaften, die bei der Abstimmung der Geräteempfindlichkeit entsprechend den Lichtverhältnissen von Vorteil sind.

Die UV-Reaktion von ZnO-NWs kann durch die Modulation der Verarmungsregion durch Sauerstoffdesorption und -adsorption erklärt werden [53]. UV-Licht bewirkt eine Desorption der an der ZnO-NW-Oberfläche adsorbierten Sauerstoffionen. Die Sauerstoffdesorption erhöht die effektive Kanaldicke, was zu einem erhöhten Strom durch die NWs führt. Darüber hinaus verringert die Verringerung der Desorptionsregion aufgrund der Sauerstoffdesorption durch UV-Licht die Höhe der Sperrschicht zwischen den NWs, was die Stromflussdrift effizienter macht [54, 55]. Da unsere Geräte ein Halbleiterverhalten vom n-Typ zeigten, wurde der Dunkelstrom bei großen negativen V . minimiert _g . Daher wurde die Lichtempfindlichkeit bei der großen negativen Gatespannung maximiert (siehe Zusätzliche Datei 1:Abbildung S9).

Außerdem beeinflusst die Gatespannung die Erholungszeit in den Anfangszustand, wenn das UV-Licht ausgeschaltet wird. Die Fall-(Zerfalls-)Zeit, wenn V _g = − 60 V und  + 60 V sind 52 s bzw. 141 s, was die dreifache Differenz zeigt (Einschub, Abb. 5e). Als Erholzeit wird die Zeit definiert, in der der Strom von 10 % auf 90 % ansteigt (Anstiegszeit) oder abfällt (Abfallzeit). Das elektrische Feld aufgrund der Gate-Vorspannung beeinflusst die Rekombinationsmöglichkeit von Elektronen und Löchern im Absorptionsprozess von Sauerstoffmolekülen, die durch UV-Licht desorbiert wurden [56, 57]. Dies betrifft die Zeit, um in den Ausgangszustand des Geräts zurückzukehren. Daher kann die Erholungszeit in Abhängigkeit vom elektrischen Feld verzögert oder kurz sein. Abbildung 5f zeigt die sich wiederholende Photoreaktion durch Anwendung von V _g = − 60 V. Dies zeigt die zeitaufgelöste Photoantwort der ZnO-NW-Netzwerkkanalgeräte, die durch Ein- und Ausschalten des UV-Lichts aufgezeichnet wurde. Wir haben bestätigt, dass bei sich wiederholenden UV-Reaktionen keine Verschlechterung der Lichtempfindlichkeit auftritt.

Schlussfolgerungen

Wir demonstrierten eine effektive Herstellungsmethode von Arrays von Gate-gesteuerten UV-Sensoren unter Verwendung von ZnO-NW-FETs. Unsere ZnO-NW-Bauelemente haben ZnO-NW-Strukturen mit kontrollierbarer Kanalbreite und -dicke, ohne dass ein chemischer oder Plasmaätzprozess verwendet wird. Dieser milde Prozess in Kombination mit einer Wärmebehandlung unterhalb der ZnO-Rekristallisationstemperatur (~ 400 °C) führte zu einer einfachen Herstellung von Gates in großem Maßstab -gesteuerte UV-Sensoren mit hohem Ein-Aus-Verhältnis und Lichtempfindlichkeit mit einer Geräteausbeute von 90%. Die hergestellten ZnO-NWs-Netzwerk-UV-Sensoren zeigen n-Typ-Gate-Eigenschaften mit einem Ein-Aus-Verhältnis von 10 ⁵ , Transkonduktanz etwa 47 nS und Mobilität etwa 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Diese elektrischen Eigenschaften können beim Ziehverfahren durch Prozessparameter wie die Ziehgeschwindigkeit moduliert werden. Die elektrischen Eigenschaften können mit Wärmebehandlungsverfahren weiter verbessert werden. Die Geräte weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht auf, und die Photoempfindlichkeit und Reaktionszeit können durch die Gate-Spannung gesteuert werden. Wir erwarten, dass unsere Prozess- und Geräteleistung den Kommerzialisierungsprozess von ZnO-NW-basierten Anwendungen beschleunigen wird.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

DCB:

Dichlorbenzol

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FET:

Feldeffekttransistor

HMTA:

Hexamethylentetramin

NW:

Nanodraht

OTS:

Octadecyltrichlorsilan

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

ZnO:

Zinkoxid