[发明专利]一种基于离子可调水凝胶栅介电层的环境响应型晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于离子可调水凝胶栅介电层的环境响应型晶体管及其制备方法。该环境响应型晶体管，从下到上依次包括衬底、沟道层、漏源电极、离子可调水凝胶栅介电层和栅极。所述离子可调水凝胶栅介电层通过将丙烯酰胺类单体、熔融的相变无机盐水合物、光引发剂以及交联剂在高温环境中进行充分共混，再经过紫外光聚合制备。调控温度使得水凝胶介电层发生相变，可以在高、低电容之间的相互转变，控制栅压对沟道电流的调制能力，从而实现晶体管工作模式的切换。本发明设计了基于离子可调水凝胶栅介电层的晶体管器件，为构建环境响应型晶体管开发了新的策略，实现了晶体管功能的热电双调控。

技术领域

本发明涉及一种基于离子可调水凝胶栅介电层的环境响应型晶体管及其制备方法，属于功能材料与器件领域。

背景技术

近年来，随着电子工业和物联网技术的快速发展，人们以更加精细化和动态化的方式管理日常的生产和生活，对于电子设备的便携性、环境响应性以及低功耗等方面有了更高的标准和要求，这也推动了晶体管多功能化的研究和升级。场效应晶体管是微电子元件的基本构筑单元，可通过输入回路的电压控制输出回路的电流，常在电路中起开关和放大的作用。由于该器件的制备工艺简单，性能稳定，使其在大规模集成电路中有着广泛的应用。但是传统的晶体管常需要较高的工作电压，所使用的材料往往不具备环境响应的能力，一经制备则工作模式固定，不能对针对环境变化产生多功能的响应能力，限制其在低功耗电子器件以及环境响应器件中的应用。

介电层材料的电容特性很大程度上决定了晶体管的性能，在施加确定的栅极电压下，介电层的电容量大小会直接影响着沟道层激发产生的载流子数量，进一步影响着载流子沟道的总电导。目前，薄膜晶体管一般采用硅基氧化物等作为栅介电层，由于其较小的介电常数，器件整体的工作的实现需要高工作电压，并且介电层电容一经制备往往无法改变，晶体管的工作状态也无法进行调节，无法在不同环境中实现晶体管工作模式的切换。

因此，为了实现环境刺激下工作模式可切换的晶体管，需要开发能够赋予晶体管器件刺激响应性的新策略。同时，将模式可调的晶体管应用到逻辑电路的设计中，实现逻辑判断多样化，为进一步实现特定动作或者复杂命令提供了新的思路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于离子可调水凝胶栅介电层的环境响应型晶体管及其制备方法。本发明中水凝胶栅介电层的离子可调特性是通过凝胶中无机盐组分的相变实现的，调控温度使得水凝胶介电层在高、低电容之间的相互转变，从而实现晶体管工作模式的切换。本发明将离子可调水凝胶作为介电层引入晶体管的构筑中，为构建环境响应型晶体管提供了新的策略，实现了晶体管的热电双调控。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于离子可调水凝胶栅介电层的环境响应型晶体管，从下到上依次包括衬底、沟道层、漏源电极、离子可调水凝胶栅介电层和栅极。

根据本发明优选的，所述离子可调水凝胶栅介电层按照下述方法制备得到：

将丙烯酰胺类单体、熔融的无机盐水合物、光引发剂以及交联剂混合均匀，加热至溶解后，得到共混体系，之后在紫外光照下聚合，得到离子可调水凝胶栅介电层；其制备过程易于操作，可以通过事先准备好的模具或通过切割工作进行塑形和定型，容易转移且形状易于控制。

进一步优选的，所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺或水溶性丙烯酰胺单体同系物中的至少一种，所述水溶性丙烯酰胺单体同系物可为甲基丙烯酰胺等；进一步优选为丙烯酰胺，其通过聚合形成凝胶的骨架。

进一步优选的，所述无机盐水合物为相转变无机盐水合物中的一种；更优选的，所述无机盐水合物为六水氯化钙或三水合乙酸钠。

进一步优选的，所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引发剂2959)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引发剂1173)，优选为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引发剂1173)。