一種金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法與流程
2023-05-18 20:17:53 1
本發明屬於電子器件的製備工藝領域，涉及一種金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法，在紡絲過程中通過簡單金屬元素摻雜來提高飽和電流、開關比和載流子遷移率，該摻雜方法可以使器件的閾值電壓大幅度左移，進而降低功耗，提高器件的性能。
背景技術：
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21世紀後，以金屬氧化物半導體作為有源層的場效應電晶體(FET)開始嶄露頭角，因其良好的化學穩定性、較低的材料成本、簡單的製備工藝和較高的載流子遷移率引起了人們廣泛的關注和研究。目前，對於金屬氧化物的研究主要是非晶態的二維薄膜，然而，二維的薄膜存在電子傳輸路徑不固定的缺點從而導致電子的散射，降低了載流子的遷移率。納米纖維的出現成為解決這一問題的重要途徑，納米纖維(NFs)因其具有合適的禁帶寬度、較大的載流子濃度、獨特的載流子傳輸路徑、較大的比表面積和良好的穩定性成為目前研究的熱點，在電子器件、光電探測器、傳感器和顯示器領域顯示出了巨大的應用潛力。目前，對於金屬氧化物NFs研究較少，主要以氧化銦(In2O3)NFs和氧化鋅(ZnO)NFs研究為主；雖然In2O3NFs具有較高的載流子遷移率，但是In2O3材料存在價格昂貴、穩定性差、有毒等缺點，因此尋找可替代In2O3NFs的材料成為迫切的任務；相比於In2O3，ZnO存在諸多優勢，例如，低廉的價格、沒有毒性和較好的穩定性等，這些優勢使其成為替代In2O3的熱門候選材料。然而，以ZnO NFs為溝道層製備的FET存在著開態電流較小、電子遷移率較低、開關比較小和閾值電壓過大等問題，較大的閾值電壓意味著器件需要一個較大的柵極電壓才能開啟，這將導致所製備的器件在之後的應用中消耗更多的能量。
針對以上所述ZnO NFFETs存在的問題，許多研究團隊對此問題做出了很大努力，例如，Lee等人通過CVD製備ZnO納米線，並通過修飾納米線表面粗糙度，發現用表面粗糙的納米線製備的FET是增強型FET(E-mode FET)，用表面平滑的納米線製備的FET是耗盡型FET(D-mode FET)；(W.K.Hong,J.I.Sohn,D.K.Hwang etal.,Tunable Electronic Transport Characteristics of Surface-Architecture-Controlled ZnO Nanowire Field Effect Transistors.Nano Lett.8,950-956(2008))；這種通過修飾表面調控ZnO納米線的電學性能的方法相對複雜，表面粗糙度也不易精確控制；同時，CVD技術需要在很高的溫度下進行反應，需要用貴金屬做催化劑，並且需要用惰性氣體或氮氣做載氣，這極大的增加了實驗的成本，很難實現大面積製備，而且製備FET過程中需要光刻技術，操作工藝複雜。然而，利用靜電紡絲法所製備的無機半導體超細納米纖維具有成本低、高效、可大面積製備等優點，逐漸引起人們的關注和研究。例如，Gazquez等人通過靜電紡絲技術製備了ZnO NFs平行陣列器件，並應用於光電探測器，但是性能不理想，飽和開態電流只達到納安(G.C Gazquez,S.Lei,A.George etal.,Low-Cost,Large-Area,and Rapid Fabrication of Aligened ZnO Nanowire Device Arrays.ACS Apllied Materials&Interfaces,8,13466-13471(2016))，極大地限制了其實際應用。
因此，尋求設計一種製備出低功耗、高性能的ZnO NFFETs，並且通過改變摻雜金屬的種類及含量實現對其電學性能的調控和改善，金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法具有良好的經濟效益和社會效益。
技術實現要素：
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本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，設計一種金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法，在紡絲過程中通過簡單金屬元素摻雜來提高飽和電流、開關比和載流子遷移率，該摻雜方法可以使器件的閾值電壓大幅度左移，進而降低功耗，提高器件的性能。
為實現上述目的，本發明涉及一種金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法，其具體工藝步驟包括：
(1)製備前驅體溶液
在玻璃瓶中先加入0.8-1.6g乙酸鋅(二水)，然後再加入20-40g N，N-二甲基甲醯胺(DMF)作為溶劑，在15-30℃溫度下進行磁力攪拌1.5-3小時，得到穩定均一的透明溶液；然後再加入5-10g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在15-30℃溫度下進行磁力攪拌4-6小時後得到純Zn源的靜電紡絲前驅體溶液；
(2)摻雜金屬元素
將金屬元素Al、Sn、Ga、Sc、Y、La、Fe、Mn、Cr中的一種或幾種對應的氯化鹽或硝酸鹽0.04-0.64g溶於步驟(1)中配製的含純Zn源的靜電紡絲前驅體溶液中，得到金屬元素摻雜重量百分比為5-40％的摻雜靜電紡絲前驅體溶液；
(3)靜電紡絲
將步驟(2)製備的摻雜靜電紡絲前驅體溶液紡在基底為表面附有厚度為150-300nm SiO2介電層的矽片或ITO玻璃上，得到金屬摻雜ZnO納米纖維；另外，將接收基板改為滾筒，並通過調節滾筒轉速，最終能得到有序排列的金屬摻雜ZnO納米纖維；紡絲條件設置為注射器針頭與接收基板間電壓10-20kV，相對溼度20-50％，注射器針頭到接收基板間的距離10-20cm，溶液推進速度0.5-1ml/h；
(4)器件組裝：
將步驟(3)得到的金屬摻雜ZnO納米纖維放入加熱臺烤膠10-30min，然後將烤膠過的金屬摻雜ZnO納米纖維放置在UV燈下光照20-60min，將納米纖維固化並與附有SiO2介電層的矽片或ITO玻璃緊密接觸；然後將UV燈照射過的金屬摻雜ZnO納米纖維放入馬弗爐中，在400-500℃溫度下退火1-3h，自然冷卻至室溫後取出；再用熱蒸發鍍膜機在納米纖維層上蒸鍍一對厚度為50-200nm Al薄膜作為源、漏電極，然後在200-300℃氮氣氣氛中退火30-60min，即得金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體。
本發明與現有技術相比，其在紡絲過程中通過簡單金屬元素Al、Sn、Ga、Sc、Y、La、Fe、Mn、Cr中的一種或多種摻雜來提高飽和電流、開關比和載流子遷移率，該摻雜方法可以使器件的閾值電壓大幅度左移，進而降低功耗，提高器件的性能，其製備工藝成熟簡單、高效、低成本、能夠實現大規模製備，所製備的金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體在光電器件、顯示器、探測器、傳感器等領域有著廣闊的應用前景，具有實現大規模工業化生產的潛力。
附圖說明：
圖1為ZnO NFFET的結構原理圖。
圖2(a)為500℃退火的ZnO NFs的掃描電鏡(SEM)圖片；(b)為500℃退火溫度下的單根納米纖維的SEM圖片。
圖3(a)(b)分別為源漏電極之間的NFs的低倍和高倍光學顯微鏡圖片。
圖4(a)未摻雜金屬元素的ZnO NFFETs的輸出曲線；(b)未摻雜金屬元素的ZnO NFFETs的轉移曲線。
圖5(a)為Al金屬元素摻雜的ZnO NFFETs的輸出曲線；(b)為Al金屬元素摻雜的ZnO NFFETs轉移曲線。
具體實施方式：
下面通過實施例並結合附圖作進一步說明。
實施例1：
本實施例旨在通過靜電紡絲技術快速製備成本低廉、低功耗、高性能、可大面積製備的ZnO NFFETs，並通過摻雜金屬元素(Al、Sn、Ga、Sc、Y、La、Fe、Mn、Cr)提高ZnO NFs載流子濃度，有效解決ZnO NFFETs低開態電流、低開關比和閾值電壓過大等問題，最終獲得了高開態電流、高開關比及低閾值電壓的ZnO NFFETs，該ZnO NFFETs具有高性能、低功耗的優勢。其原理就是將金屬元素(Al、Sn、Ga、Sc、Y、La、Fe、Mn、Cr)作為一種n型施主雜質摻雜提供載流子，從而提高載流子濃度。我們可以通過這種簡單的摻雜方式，在保證較低對的關態電流情況下，不僅可以提高開態電流進而提高開關比，而且可以使閾值電壓向左移動(從10V降低到1V)降低器件的能耗。
本實施例涉及的金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的製備方法，其具體工藝步驟包括：
(1)製備前驅體溶液
在玻璃瓶中先加入0.8-1.6g乙酸鋅(二水)，然後再加入20-40g N，N-二甲基甲醯胺(DMF)作為溶劑，在15-30℃溫度下進行磁力攪拌1.5-3小時，得到穩定均一的透明溶液；然後再加入5-10g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在15-30℃溫度下進行磁力攪拌4-6小時後得到純Zn源的靜電紡絲前驅體溶液；
(2)摻雜金屬元素
將金屬元素Al、Sn、Ga、Sc、Y、La、Fe、Mn、Cr中的一種或幾種對應的氯化鹽或硝酸鹽0.04-0.64g溶於步驟(1)中配製的含純Zn源的靜電紡絲前驅體溶液中，得到金屬元素摻雜重量百分比為5-40％的摻雜靜電紡絲前驅體溶液；
(3)靜電紡絲
將步驟(2)製備的摻雜靜電紡絲前驅體溶液進行靜電紡絲至基底為表面附有厚度為150-300nm SiO2介電層的矽片或ITO玻璃上，得到金屬摻雜ZnO納米纖維；其中在靜電紡絲過程中將基底粘到滾筒上，通過調節滾筒轉速，最終能得到有序排列的金屬摻雜ZnO納米纖維；紡絲條件設置為注射器針頭與接收基板間電壓10-20kV，相對溼度20-50％，注射器針頭到接收基板間的距離10-20cm，溶液推進速度0.5-1ml/h；
(4)器件組裝：
將步驟(3)得到的金屬摻雜ZnO納米纖維放入加熱臺烤膠10-30min，然後將烤膠過的金屬摻雜ZnO納米纖維放置在UV燈下光照20-60min，將納米纖維固化，進而與SiO2介電層的矽片或ITO玻璃緊密接觸；然後將UV燈照射過的金屬摻雜ZnO納米纖維放入馬弗爐中，在400-500℃溫度下退火1-3h，自然冷卻至室溫後取出；再用熱蒸發鍍膜機在SiO2介電層上蒸鍍一對厚度為50-200nm Al薄膜作為源、漏電極，然後在200-300℃氮氣氣氛中退火30-60min，即得金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體。
本實施例涉及的金屬摻雜氧化鋅納米纖維場效應電晶體的主體結構包括SiO2介電層1、有源層2、基底3和源漏電極4；SiO2介電層1厚度為150-300nm；有源層2為金屬摻雜氧化鋅納米纖維；源漏電極4為50-200nm厚的Al薄膜，設置在SiO2介電層1的兩側，其溝道長為1000μm，寬為100μm；基底3為矽片或ITO玻璃；基底3、SiO2介電層1、有源層2和源漏電極4從下到上依次固定連接。
圖5(a)和(b)分別為40％Al摻雜的ZnO NFFETs的輸出與轉移曲線，圖4(a)和(b)分別為未摻雜金屬元素的ZnO NFFETs的輸出曲線；其表明Al元素的摻雜比為40％時能夠有效的提高ZnO NFs中載流子的濃度，40％Al摻雜的ZnO NFFETs具有較高的開態電流2.5×105A，與圖4相比，開態電流提高了2個數量級，正的閾值電壓1.5V，與圖4相比閾值電壓向左大幅移動，以及具有較大的開關比107，與圖4相比開關比提高100倍，其原理在於，Al元素作為施主雜質提供載流子，進而提高ZnO NFs的載流子濃度，從而達到調控ZnO NFs中載流子濃度的目的，得到高性能的Al元素摻雜的ZnO NFFETs。
圖2(a)為500℃退火的ZnO NFs的掃描電鏡(SEM)圖片，說明，500℃退火的ZnO NFs表面比較光滑，顆粒比較小，在500℃退火溫度下，PVP能完全分解，NFs的形貌較好；圖2(b)為500℃退火溫度下的單根納米纖維的SEM圖片，進一步說明，500℃退火下的納米纖維表面光滑，顆粒較小，具有良好的表面形貌。
實施例2：
本實施例中通過控制紡絲時間來控制纖維的密度，進而達到調控ZnO NFFETs電學性能的目的；本實施例中控制紡絲時間分別為10s、20s、30s、40s、50s，其餘製備工藝與實施例1相同，通過比較相應的電學性能，我們得出了最優化的紡絲時間為30s，製備的器件的閾值電壓在10V左右，開態電流在10-7A左右。
實施例3：
本實施例中通過控制Al元素摻雜的濃度來達到調控ZnO NFFETs的電學性能的目的；本實施例中Al元素摻雜的濃度分別為10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％。相應的開態電流分別為2.5×10-7、3.0×10-6、1.2×10-5、2.5×10-5、5.0×10-6A，其餘製備工藝與實施例1相同。通過比較，我們得到了Al元素的最優化摻雜濃度為40wt％。
實施例4：
本實施例中Ga的摻雜比為10wt％，其餘製備工藝與實施例1相同，實驗表明Ga的摻雜能夠有效的提高ZnO NFs中載流子的濃度，從而調控ZnO NFs FET的電學性能；本實施例通過摻雜10wt％的Ga元素，製備了高性能的ZnO NFFETs，其開態電流1.5×10-5A，關態電流為2.0×10-11A，開關比為106，閾值電壓為2V。
實施例5：
本實施例中Sn的摻雜比為10wt％，其餘製備工藝與實施例1相同，實驗表明Sn的摻雜能夠有效的提高ZnO NFs中載流子的濃度，從而調控ZnO NFs FET的電學性能；本實施例所製備的10wt％Sn摻雜的ZnO NFFETs具有良好的電學性質：其開態電流10-5左右，關態電流為10-12A左右，開關比為107，閾值電壓為2V左右。