金属氧化物纳米纤维场效应晶体管的制备及电学性能调控

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纳米纤维(NFs)由于其独特的形貌结构,具有大比表面积、固定电子传输路径等优点,被广泛应用于光电、储能、电子等领域。静电纺丝技术由于在生产过程中不需要复杂的生产环境、可大面积制备等优点,被广泛用于制备各种材料的一维纳米纤维。本文基于静电纺丝技术,以提高场效应晶体管(FET)电学性能和降低成本为目的,制备出高性能、低功耗的场效应晶体管。本文主要研究内容和结果如下:(1)我们利用静电纺丝工艺制备了Al、Ga、Cr大比例掺杂的In2O3纳米纤维(NFs)场效应晶体管。Al、Ga、Cr元素的大比例掺杂既可以提高器件的电学性能,又能降低In的使用量。在最佳掺杂浓度10 mol%时,器件具有优异的电学性能:开关电流比~108,开态电流~10-4 A,阈值电压<6 V。在用高κ介电材料Al2O3代替SiO2后,降低了器件的功耗,操作电压由30 V降低为3 V,同时电子迁移率由2 cm2V-1s-1提高为10 cm2V-1s-1。与此同时,器件具有良好的稳定性,在连续重复测试60次后器件性能没有发生明显的改变,并且将器件暴露于空气中3个月后,器件仍具有良好的电学性能。(2)通过改变静电纺丝工艺中针头直径制备不同直径的NFs,并研究了NFs直径对FET电学性能的影响,最后达到调控FET电学性能的目的。在没有掺杂其他元素的情况下,仅仅改变NFs的直径制备出高性能的In2O3、SnO2和ITO FET,器件性能达到甚至超过掺杂器件性能。In2O3 FET:开关电流比~108,开态电流~10-4 A,阈值电压~2.5 V;SnO2 FET:开关电流比~107,开态电流~10-5 A,阈值电压~1.8 V;In2O3 FET:开关电流比~108,开态电流~10-4 A,阈值电压~2.8V。最后结合高κ介电层Al2O3进一步降低了器件的操作电压并极大的提高了器件的迁移率,In2O3高κFET迁移率高达360 cm2V-1s-1
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