[发明专利]一种金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管的制备方法

说明书

本发明属于电子器件的制备工艺领域，涉及一种金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管的制备方法，在纺丝过程中通过简单金属元素掺杂来提高饱和电流、开关比和载流子迁移率，该掺杂方法可以使器件的阈值电压大幅度左移，进而降低功耗，提高器件的性能；其具体工艺步骤包括制备前驱体溶液、掺杂金属元素、静电纺丝和器件组装；其制备工艺成熟简单、高效、低成本、能够实现大规模制备，所制备的金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管在光电器件、显示器、探测器、传感器等领域有着广阔的应用前景，具有实现大规模工业化生产的潜力。

技术领域：

本发明属于电子器件的制备工艺领域，涉及一种金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管的制备方法，在纺丝过程中通过简单金属元素掺杂来提高饱和电流、开关比和载流子迁移率，该掺杂方法可以使器件的阈值电压大幅度左移，进而降低功耗，提高器件的性能。

背景技术：

21世纪后，以金属氧化物半导体作为有源层的场效应晶体管(FET)开始崭露头角，因其良好的化学稳定性、较低的材料成本、简单的制备工艺和较高的载流子迁移率引起了人们广泛的关注和研究。目前，对于金属氧化物的研究主要是非晶态的二维薄膜，然而，二维的薄膜存在电子传输路径不固定的缺点从而导致电子的散射，降低了载流子的迁移率。纳米纤维的出现成为解决这一问题的重要途径，纳米纤维(NFs)因其具有合适的禁带宽度、较大的载流子浓度、独特的载流子传输路径、较大的比表面积和良好的稳定性成为目前研究的热点，在电子器件、光电探测器、传感器和显示器领域显示出了巨大的应用潜力。目前，对于金属氧化物NFs研究较少，主要以氧化铟(In₂O₃)NFs和氧化锌(ZnO)NFs研究为主；虽然In₂O₃NFs具有较高的载流子迁移率，但是In₂O₃材料存在价格昂贵、稳定性差、有毒等缺点，因此寻找可替代In₂O₃NFs的材料成为迫切的任务；相比于In₂O₃，ZnO存在诸多优势，例如，低廉的价格、没有毒性和较好的稳定性等，这些优势使其成为替代In₂O₃的热门候选材料。然而，以ZnO NFs为沟道层制备的FET存在着开态电流较小、电子迁移率较低、开关比较小和阈值电压过大等问题，较大的阈值电压意味着器件需要一个较大的栅极电压才能开启，这将导致所制备的器件在之后的应用中消耗更多的能量。

针对以上所述ZnO NFFETs存在的问题，许多研究团队对此问题做出了很大努力，例如，Lee等人通过CVD制备ZnO纳米线，并通过修饰纳米线表面粗糙度，发现用表面粗糙的纳米线制备的FET是增强型FET(E-mode FET)，用表面平滑的纳米线制备的FET是耗尽型FET(D-mode FET)；(W.K.Hong,J.I.Sohn,D.K.Hwang etal.,Tunable Electronic TransportCharacteristics of Surface-Architecture-Controlled ZnO Nanowire Field EffectTransistors.Nano Lett.8,950-956(2008))；这种通过修饰表面调控ZnO纳米线的电学性能的方法相对复杂，表面粗糙度也不易精确控制；同时，CVD技术需要在很高的温度下进行反应，需要用贵金属做催化剂，并且需要用惰性气体或氮气做载气，这极大的增加了实验的成本，很难实现大面积制备，而且制备FET过程中需要光刻技术，操作工艺复杂。然而，利用静电纺丝法所制备的无机半导体超细纳米纤维具有成本低、高效、可大面积制备等优点，逐渐引起人们的关注和研究。例如，Gazquez等人通过静电纺丝技术制备了ZnO NFs平行阵列器件，并应用于光电探测器，但是性能不理想，饱和开态电流只达到纳安(G.C Gazquez,S.Lei,A.George etal.,Low-Cost,Large-Area,and Rapid Fabrication of AligenedZnO Nanowire Device Arrays.ACS Apllied MaterialsInterfaces,8,13466-13471(2016))，极大地限制了其实际应用。