InZnO双电层薄膜晶体管及其低压反相器应用研究

发布时间：2020-07-31 14:09

【摘要】：离子耦合效应为凝聚态物质电学性能的研究提供了一个新的思路。在采用离子液电解质作为栅介质的薄膜晶体管中,离子液电解质中的离子可以在外电场的作用下发生漂移,并且在电解质/电极界面处诱导产生厚度仅为1nm左右的双电层,其双电层电容通常1μF/cm~2。这一双电层电容通常比常规栅介质的电容高几个数量级,因此这类晶体管的工作电压较小,通常都低于2 V,其在低功耗传感、便携式电子器件等领域有着极大的应用潜力。壳聚糖是自然界第二丰富的氨基多糖高分子材料,在其分子结构中存在β-(1-4)-D-氨基葡萄糖基团和N-乙酰-D-氨基葡萄糖基团,目前已广泛应用于食品、医药以及化工等行业中。另外壳聚糖的分子链上存在着大量的游离氨基,当其溶解于稀酸溶液时会质子化,这些质子在适当条件下可以自由迁移,具有制备成高性能质子导体膜的潜力,因此壳聚糖薄膜在薄膜晶体管中有着一定的应用价值。有鉴于此,我们采用壳聚糖薄膜作为栅介质,研制了氧化物双电层薄膜晶体管,并且探索了其在低工作电压反相器方面的应用,具体工作如下:(1)配制了壳聚糖和醋酸的混合水溶液,并采用旋涂工艺结合后续处理获得壳聚糖固态电解质薄膜。采用阻抗分析仪测试表明,制备的壳聚糖薄膜的在室温下的质子导电率高达3×10~（-3 ）S?cm~（-1）,同时其双电层电容高达~4-7μF?cm~（-2）;然后采用壳聚糖薄膜作为栅介质,并采用磁控溅射工艺研制了氧化铟锌(InZnO)双电层薄膜晶体管(EDL TFT)。器件的电学性能使用keithley 4200半导体参数分析仪在大气环境中进行测试,结果显示了器件的工作电压仅为1 V,器件的开关比高达107,亚阈值斜率仅为~65 mv?dec~（-1）,阈值电压为-0.28 V;进一步测试表明,器件在低达1.0 V的工作电压下具有很好的电学稳定性;最后,器件的瞬态响应测试表明壳聚糖栅介质的InZnO EDL-TFT的工作模式为质子调控双电层机制。(2)将制作的InZnO EDL TFT与一定阻值的电阻串联,获得了低压电阻负载型反相器。测试了Vdd为0.5 V~3 V时的反相器电压转移特性曲线,结果表明,反相器在低工作电压下具有较高的电压增益:在Vdd=0.5 V时,电压增益~3.6,在Vdd=3 V时,电压增益~20,且电压增益值与Vdd呈线性依赖关系。然后测试了反相器的动态响应行为,结果表明反相器可以在10 Hz的频率下工作。最后将反相器用于噪音信号处理,实现了降噪功能。(3)在壳聚糖栅介质InZnO EDL TFT上引入一个共平面栅电极,获得了具有双栅结构的InZnO双电层薄膜晶体管,实现了器件阈值电压和工作模式的有效调控。实验结果表明,当共平面栅极电压由+2 V增加到-2 V时,器件的工作模式得到了有效调控,阈值电压由~-0.4 V增加到~0.1 V。进一步将双栅器件用于电阻负载型反相器,利用共平面栅的调控效应,实现了反相器高低电平切换电压的有效调控。并在共平面栅压为-2 V时,获得了平衡噪音容限。本论文研究结果表明,壳聚糖薄膜具有较大的室温质子电导率,且具有极强的双电层电容效应,采用其作为栅介质获得了具有优异性能的氧化物双电层薄膜晶体管,EDL TFT在低压反相器方面的应用表明了其在便携式电子产品以及低功耗传感器等领域有着巨大的应用前景。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5;TB383.2

【参考文献】