無機雙電層柵介質(zhì)及其低電壓氧化物微納晶體管應用.pdf

1、基于氧化物半導體的微納晶體管,由于其制備溫度低、高電子遷移率等獨特優(yōu)勢在平板顯示、電子紙、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應用價值。常規(guī)器件采用的熱氧化SiO2柵介質(zhì)由于其低介電常數(shù)導致較弱的柵電極/溝道耦合作用,工作電壓一般都大于20V。較高的工作電壓對于低功耗的便攜式電子產(chǎn)品應用是個巨大的障礙。本研究論文主要研究基于具有雙電層效應的SiO2固態(tài)電解質(zhì)的全無機低電壓氧化物微納晶體管,包括薄膜晶體管和納米線晶體管。并在以下幾個方面取得了突出的研究

2、成果:
　　(1)通過特殊的等離子體化學汽相沉積(PECVD)工藝制備了具有高雙電層單位電容的SiO2固態(tài)電解質(zhì),并且對SiO2固態(tài)電解質(zhì)的極化機理進行了詳細的研究。在不同頻率下SiO2具有三種不同的極化:雙電層形成(低頻),離子遷移(中頻)以及偶極子極化(高頻)。通過改變SiO2固態(tài)電解質(zhì)的制備條件,我們改善了SiO2固態(tài)電解質(zhì)的極化響應速度,120℃沉積的SiO2固態(tài)電解質(zhì)在1kHz時雙電層電容高達1μF/cm2,在10kHz

3、時仍高達0.6μF/cm2。分析了不同溫度下SiO2固態(tài)電解質(zhì)的形貌。同時我們利用SiO2固態(tài)電解質(zhì)制備了In-Zn-O薄膜晶體管,其工作電壓降低到1v以內(nèi)。器件的場效應電子遷移率,電流開關(guān)比以及亞閾值斜率分別為46.2cm2/Vs,106和69mV/decade。由于SiO2固態(tài)電解質(zhì)具有快速的極化響應時間,因此基于該柵介質(zhì)的In-Zn-O薄膜晶體管有望具有kHz的開關(guān)頻率。
　　(2)制備了SiO2質(zhì)子導體以及利用單掩模自組裝

4、法制備了基于SiO2質(zhì)子導體的In-Zn-0共面同質(zhì)結(jié)透明薄膜晶體管,并對其電學特性和光學特性進行了研究。隨著磷酸溶液濃度從0%增加到50%,SiO2質(zhì)子導體在20Hz的單位電容逐漸增加,最大為8μF/cm2。并且器件的雙電層形成的上限頻率逐漸升高。隨著磷酸溶液濃度的增加,器件的飽和遷移率、工作電壓、亞閾值擺幅、閾值電壓和開關(guān)電流比都會發(fā)生不同程度的變化。變化最明顯的是器件的工作電壓,隨著磷酸溶液濃度的增加,器件的工作電壓從1.5V降低

5、到0.6V,器件的亞閾值斜率也逐漸的減小到68mV/decade。器件的遷移率為12cm2/Vs。器件的光學透光特性優(yōu)異,其透光率高達75%以上。
　　(3)研制了基于SiO2固態(tài)電解質(zhì)的紙張薄膜晶體管(Sb摻雜SnO2和InGaZnO4溝道)及其通過氧壓調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)不同工作模式的薄膜晶體管。首先,制備了基于SiO2固態(tài)電解質(zhì)的電池可驅(qū)動的低電壓Sb摻雜SnO2紙張薄膜晶體管,由于SiO2固態(tài)電解質(zhì)具有形成雙電層的能力,因而器件的

6、柵介質(zhì)單位電容在40Hz時高達1.36μF/cm2,紙張器件的工作降低到1.5V以內(nèi),并且器件的閾值電壓接近于0V(Vth=0.06V)。紙張器件的具有優(yōu)異的電學特性,其亞閾值斜率,電流開關(guān)比和飽和場效應電子遷移率分別為～80mV/decade,大于105和21cm2/Vs。這是世界上報道過的最低工作電壓的紙張薄膜晶體管。同時,還在紙張襯底上制備了低電壓In-Ga-Zn-O薄膜晶體管,通過阻抗譜以及傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜表征了SiO2的固態(tài)

7、電解質(zhì)特性。最重要的是,通過氧壓調(diào)制技術(shù)改變了In-Ga-Zn-O的溝道電導,從而實現(xiàn)了耗盡模式(Vth=-0.45)和增強模式(Vth=0.25V)的低電壓In-Ga-Zn-O紙張薄膜晶體管。
　　(4)引入了全新的單根納米線晶體管的制作工藝,不需要采用任何的光刻技術(shù)。發(fā)展了一種鎳網(wǎng)掩模技術(shù)制備全透明的單根Sb摻雜Sn02納米線晶體管。在沒有熱退火和表面鈍化的情況下,納米線的表面損傷可以避免,這種方法非常有利于一維無機納米線材料

8、的光電特性研究。制備的Sb摻雜Sn02納米線晶體管是利用高單位電容的SiO2固態(tài)電解質(zhì)作為柵介質(zhì)(2μF/cm2),其工作電壓降低到1.5V。器件的飽和電子遷移率、電流開關(guān)比以及亞閾值斜率分別為175cm2/Vs,105和116mV/decade。動態(tài)和靜態(tài)偏壓應力測試證明單根Sb摻雜Sn02納米線透明晶體管能夠持續(xù)的運行在低電壓并保持極好的穩(wěn)定性和重復性。
　　(5)研究了基于SiO2固態(tài)電解質(zhì)的In-Zn-O薄膜晶體管的不規(guī)則

9、閾值電壓漂移以及表面鈍化對其電學性能的影響。沒有經(jīng)過表面鈍化的器件在短時間的光照和負偏壓應力條件下出現(xiàn)較大負閾值電壓漂移(0.68V)。經(jīng)過長時間的負偏壓應力測試,沒有鈍化和已經(jīng)鈍化的器件都出現(xiàn)不規(guī)則的正閾值電壓漂移,這主要是由于SiO2固態(tài)電解質(zhì)中離子漂移現(xiàn)象產(chǎn)生的。經(jīng)過表面鈍化以后,器件的負閾值電壓小于0.1V,這主要是由于經(jīng)過表面鈍化以后器件的光解吸附氧離子的現(xiàn)象得到抑制。
　　(6)利用自主設(shè)計的掩模板,通過單掩模自組裝法