海藻酸钠为栅介质低电压双电层薄膜晶体管及其阈值电压调控

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氧化物薄膜晶体管由于具有迁移率大,光学透过率高,制备温度低等优势而受到广泛关注。氧化物薄膜晶体管通常是以传统致密的材料作为栅介质,界面电容较小,因而,其工作电压通常为十几伏,甚至为几十伏,这大大限制了氧化物薄膜晶体管在化学和生物传感器等便携式产品中的应用。而采用氧化物质子导体膜为栅介质制备的双电层薄膜晶体管(Electric Double Layer Transistors,简称EDLTs),在半导体沟道和氧化物质子导体膜界面处能够形成大于1.0μF/cm2的双电层电容,可使薄膜晶体管的工作电压降低至3.0 V以内。因此,选用氧化物质子导体膜作为薄膜晶体管的栅介质备受青睐。其中,溶液工艺制备的海藻酸钠(sodium alginate,简称SA)质子导体膜因具有无需大型真空镀膜设备,制备工艺简单和便于打印电子学应用等优点而受到广泛关注。然而,到目前为止,具有多种器件结构的薄膜晶体管的电学性能、阈值电压调控和工作机理的研究鲜有报道。基于此,本论文制备了三种类型器件结构的薄膜晶体管,通过沟道厚度不同有效调控了其阈值电压,并提出了质子垂直耦合和侧向耦合机制。本论文的主要研究成果如下:(1)采用溶液滴铸法制备了海藻酸钠质子导体膜。扫描电镜结果表明,SA质子导体膜由平均直径不到10nm的纳米粒子组成,这些纳米粒子的密堆积结构具有纳米多孔和纳米沟道的特性,为质子的传导提供了必要的输运通道,其厚度为3 Mm,膜较厚有利于质子在3D空间进行输运和耦合。此外,海藻酸钠质子导体膜每平方纳米化学和物理吸附了 10420个水分子,且其具有大量的羟基和羧基,这些都提供了大量的质子,有利于质子的传导。因而经计算,海藻酸钠质子导体膜的质子电导率高达4.8×104 S/cm。室温下,底栅结构、侧栅结构和无底栅结构的比表面积电容都较大,分别为2.07μF/cm2、0.82μF/cm2和2.01μF/cm2。在200 nm到1000 nm的波长范围内,整个器件的透过率高达81%,在可见光范围内是全透明器件。(2)制备了以海藻酸钠质子导体膜为栅介质,IZO为沟道的底栅结构,侧栅结构和无底栅结构共三种器件结构的双电层薄膜晶体管。开关比较大,为3.7×106~2.9×107,亚阈值摆幅较低,最低为75mV/decade,场效应迁移率较高为13.3~40.5 cm2 V-1 s-1。三种器件结构的双电层薄膜晶体管的工作电压都仅为1.0 V,实现了在超低工作电压下工作。实验结果证实了海藻酸钠质子导体膜具有质子在三维空间的输运特性,实现了质子的垂直耦合以及侧向耦合。三种结构的低电压IZO EDLTs及其工作机制的研究结果为便携式电子设备和生物传感器等领域的应用和丰富电子学器件的设计提供了一定的实验和理论基础。(3)制备了以海藻酸钠质子导体膜为栅介质,通过一步掩膜法自组装沉积了不同IZO沟道厚度的底栅结构和侧栅结构EDLTs,其工作电压分别为1.0 V和1.5 V,实现了低电压工作。利用不同IZO沟道厚度能够有效调控EDLTs的阈值电压。随着IZO沟道厚度从45 nm降低到8 nm,底栅结构IZO EDLTs的阈值电压从-0.25 V增加到0.12 V,侧栅结构IZO EDLTs的阈值电压从-0.07 V增加到0.25 V,在同一芯片上同时获得耗尽型和增强型器件,这对于薄膜晶体管进一步应用于逻辑电路具有重要意义。不同沟道厚度的IZO EDLTs具有良好的电学性能开关比较大,为1.5×106~2.9×107,亚阈值摆幅低至70 mV/decade,场效应迁移率高达34.3 cm2 V-1 s-1。海藻酸钠质子导体膜有望成为便携式生物传感器和突触电子学等领域的候选材料。
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