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锶元素掺杂对氧化铟纳米纤维场效应晶体电学性能的调控及改善
出处:  录入日期:2019-02-12  点击数:55

  近年来,一维氧化铟纳米材料由于具有较高的载流子浓度和电子迁移率,已成为制备新一代电子器件的热门材料。一维氧化铟纳米材料的制备方法主要有化学气相沉积、水热法和静电纺丝技术等等。相比于其他技术,静电纺丝技术因其高效率、高质量、低成本、操作简单和易于大规模制备等优势成为制备氧化铟纳米器件的热门工艺。目前氧化铟器件面临的主要问题是由于其过高的载流子浓度造成的器件的关态电流过高和阈值电压过负,即制备的器件大部分为耗尽型器件。耗尽型器件在工作过程中需要耗费更多的能量来控制器件的关闭。因此,将耗尽型器件转变为增强型器件在大规模集成电路的应用中是非常关键的。
  通常对低维纳米材料场效应晶体管电学性能的调控主要包括以下两种工艺:(1) 对纳米材料表面形貌的调控。通过控制表面的粗糙度,进而调控其表面态以达到调控材料导电性的目的。但是这种方法的调控精度有限,不适合实际应用。(2) 通过掺杂的方法,比如掺杂镁、锶、铪、锆等元素作为吸氧剂,更好地与氧原子结合,减少氧空位的浓度,进而降低载流子的浓度,实现对器件性能的调控和改善。此外,掺杂工艺调控的范围较大,精确相对较高,并且适用于大面积应用。

  青岛大学王凤云课题组和香港城市大学何颂贤课题组合作利用静电纺丝技术制备了氧化铟纳米纤维薄膜场效应晶体管 (如图a),并且通过掺杂锶元素成功地将耗尽型器件转变为增强型器件。同时,该工作采用了紫外灯光照的方法提高纤维与介电层间的界面接触,提高了器件的性能。通过实验,相比于未掺杂器件的电学性能 (关态电流:约10-6 A;阈值电压:-14.2 eV;开关比:102),锶最佳掺杂浓度 (3.6 mol%) 氧化铟纳米纤维器件,其关态电流降低到10-11 A,阈值电压右移到2.5 V,开关比提高到108,成功地获得了能耗较低的增强型器件 (如图b)。为了进一步降低器件的能耗,本课题组采用旋涂法制备的氧化铝薄膜替代了传统的二氧化硅介电层,器件的工作电压由40 V降低到4 V,极大地降低了能耗 (如图c)。同时,他们将制备的增强型器件组装成反相器,得到了较高的增益 (~12.8) (如图d)。
  研究人员认为该工作对于纳米纤维场效应晶体管的制备、性能的调控及改善可提供简单有效的思路。相关论文发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201800707),第一作者为青岛大学物理科学学院硕士研究生宋龙飞。


  来源:MaterialsViews

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