静电纺丝制备氧化铟纳米纤维及其在场效应晶体管中的研究

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近年来,一维(1D)纳米结构由于其独特的理化性质、优异的传输特性、大的比表面积以及良好的稳定性而受到广泛关注。以In2O3为代表的1D金属氧化物纳米材料已经被广泛应用于场效应晶体管(FET)的沟道层材料。同时,采用具有高介电常数的栅介质材料代替传统的Si O2栅介质薄膜不仅可以提升器件的电学性能,还可以降低FET器件的驱动电压和功耗。本论文通过简单有效的静电纺丝工艺制备了铟基纳米纤维以及ALD工艺沉积了高k栅介质薄膜,成功构筑了低压操作的高性能FET器件;基于FET器件构筑了负载型反相器,并研究了其静态电压特性与动态响应行为。本论文的具体研究内容如下:1.基于静电纺丝工艺制备了高质量的In2O3纳米纤维,对其光学性能、微结构、表面形貌和化学组分进行分析。通过调控纺丝时间,构筑了不同纤维密度的In2O3/Si O2FET并对其电学性能进行了探究。结果表明:当纺丝时间为30s时,In2O3/Si O2FET表现出优异的电学性能,包括9.1 cm~2 V-1 s-1的迁移率以及1.0×10~7的电流开关比。利用ALD沉积了高k栅介质Al2O3代替传统的二氧化硅,将器件的操作电压从30 V降低至3 V,构建的负载型反相器增益达到9.8,表明ALD制备的Al2O3薄膜在低压驱动的FET及反相器领域具有诱人的应用前景。2.基于静电纺丝法制备了Ca掺杂的In2O3纳米纤维,研究了不同浓度的Ca元素对纳米纤维光学性能、微结构、表面形貌及化学组分的影响。In Ca Ox/Si O2 FET器件测试表明:当Ca的掺杂浓度为5 mol%时,FET展现出最佳性能,包括6.5 cm~2 V-1 s-1的迁移率和1.0×10~8的电流开关比。基于In Ca Ox/Si O2 FET与负载型电阻串联构筑的反相器增益达到7.2,足以应用于集成电路中的信号传播。3.基于ALD技术在低温下制备了HfAlOx栅介质薄膜,研究了不同Hf与Al前驱体比例沉积的薄膜的光学性能、表面形貌、化学组分和介电性能,并构筑了In Ca Ox/HfAlOx FET。结果表明:当Hf与Al前驱体的比例为2:1时器件展现了优异的性能,包括17.3 cm~2 V-1 s-1的迁移率和1.2×10~7的电流开关比。此外,将器件与负载电阻串联构筑的反相器增益高达13.4。表明In Ca Ox/HfAlOx FET器件在低压驱动及逻辑电路中有潜在的应用前景。
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