[发明专利]一种直径调控制备高性能金属纳米纤维场效应晶体管的方法

说明书

本发明属于场效应晶体管制备技术领域，涉及一种直径调控制备高性能金属纳米纤维场效应晶体管的方法，先分别配制纯In静电纺丝前驱体溶液、纯Sn静电纺丝前驱体溶液和ITO静电纺丝前驱体溶液；再采用静电纺丝技术在高κ基底上制备附有NFs的高κ基底；最后将附有NFs的高κ基底处理后蒸镀一层60～100nm Al薄膜作为源、漏电极得到相应的晶体管，制备的Insubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;、SnOsubgt;2/subgt;NFsFET，在无掺杂的情况下性能达到甚至超过同种材料掺杂最佳性能，迁移率高，大大降低了器件的功耗并提高了器件性能，具有极大的应用潜力。

技术领域：

本发明属于场效应晶体管制备技术领域，涉及一种直径调控制备高性能金属纳米纤维场效应晶体管的方法，通过调控直径分别制备高性能In₂O₃、SnO₂、ITO纳米纤维场效应晶体管。

背景技术：

在过去的几十年中，一维纳米材料被广泛用于光电探测器、气体探测器、储能器件、电子设备等研究领域。金属氧化物由于其化学性质稳定、电学性能优异被视为理想的沟道层材料，其中In₂O₃和SnO₂由于载流子浓度高、禁带宽度适宜被广泛用做FET的沟道材料。尽管In₂O₃和SnO₂由于其高载流子浓度使其开态电流(I_on)比较高，但是高载流子浓度也导致其关态电流(I_off)较高，使得开关电流比(I_on/I_off)比较低，同时阈值电压(V_TH)为负值，为耗尽型器件，器件性能比较差。ITO由于其优异的导电性、稳定性以及透明性，通常作为透明导电材料被广泛用于光电探测器、太阳能电池以及高性能FET。由于ITO的高导电性，几乎不具备半导体的特性，因此很少将其作为半导体材料应用于电子器件的沟道材料。

为了解决上述问题，目前应用最为广泛的方法是通过掺杂其他物质降低In₂O₃和SnO₂载流子浓度，从而调控FET性能；例如美国西北大学Antonio Facchetti课题组通过在In₂O₃、IZO、IGO、IGZO溶液中掺杂PEI(聚乙烯亚胺)来降低载流子浓度从而调控FET性能，In₂O₃在PEI掺杂质量分数为1.5％时效果最佳，I_on/I_off提高了三个数量级，并将器件由耗尽型变为增强型器件，IZO、IGO、IGZO在PEI掺杂质量分数分别为0.5％、1％、0.5％时效果最佳，其中1％PEI掺杂的IGO效果最显著，将V_TH由50V降低到19V，同时I_on/I_off由10⁵～10⁶提高到10⁶～10⁷；复旦大学Qun Zhang教授课题组通过在SnO₂中掺杂Ti元素来降低载流子浓度，调控FET性能，Ti掺杂浓度为20％时，器件性能最佳，器件由耗尽型转变为增强型，I_on/I_off提高了5个数量级；H.C.Zhang等人利用Mg掺杂In₂O₃纳米纤维，在掺杂浓度为2mol％时效果最佳，开关比提高了至少4个数量级，在掺杂量为6％时器件取得最佳性能，器件由耗尽型转变为增强型，同时I_on/I_off提高了5个数量级；复旦大学Qun Zhang教授课题组通过在SnO₂中掺杂Ti元素来降低载流子浓度，调控FET性能，Ti掺杂浓度为20％时，器件性能最佳，器件由耗尽型转变为增强型，I_on/I_off提高了5个数量级；韩国先进科学技术研究所Kim教授，利用静电纺丝技术制备In₂O₃-ZnO-ZnGa₂O₄ FET，器件开关比为10⁵，阈值电压仅为1V，迁移率为7.04cm²V^-1s^-1。除此以外，现有技术中还进行了ZnGeO、InZnO、AlZnSnO、ZrSnZnO、TiSnZnO以及ZnSSe^[39]的掺杂实验，均取得了比较好的效果，虽然通过掺杂控制载流子浓度，从而实现调控FET性能的方法比较简单，但是不同的金属氧化物材料所需的掺杂元素不一样，不同的掺杂元素最佳掺杂量也不一致，掺杂量少时达不到最佳掺杂效果，而掺杂量超过最佳浓度时又会导致器件性能急剧下降，不利于大批量生产。