一维单晶/多晶复合结构的构筑及迁移率的调制研究

The quasi-1D nanostructures may reduce carrier scattering to produce high electron mobility. Nanowire based TFT have been a hot topic. However, the fabrication process of nanowire based TFT has poor reproducibility and is still not practical for applications. In this project, an effective process of nanowires based TFT is carried out. It is first suggeated that, the mobility will be improved through injecting Ar ions. The main cotents are given as follows: (1) Crystal/polycrystalline composite structures will be deposited on the substrate by electrospinning method. The preparation of nanowire based TFT will be simplified through promoting the regularity . (2) With a high mobility, crystal nanowires will be doped in ZnO nanowires for the purpose of increasing its mobility. And the influence of doping concentration on the carrier mobility will be discussed. (3) Ar ions will be injected regionally in ZnO nanowires by ion beam implantation technique and lithography, which can reduce the effective channel length and lower the potential barrier. (4) Indium gallium zinc oxide (IGZO) is promising for the development of flexible electronics, which is used to fabricate the source and drain.

由于一维纳米结构大大降低了载流子的散射作用，使纳米线具有很高的载流子迁移率，纳米线基薄膜晶体管成为研究热点。但是，纳米线基TFT的制作工艺复杂，其应用尚且需要进一步的研究。本项目提出一种高效地制备纳米线基TFT的加工工艺，并提出通过氩离子束注入提高迁移率的研究思路。研究工作包含以下几方面：(1) 利用静电纺丝法制备单晶/多晶复合ZnO纳米线，通过提高纳米线的整齐性简化TFT的加工工艺。(2) 通过单晶纳米线的掺入提高有源层的迁移率，并系统地研究掺杂比例对迁移率的影响。(3) 结合对准光刻和离子束注入技术对ZnO纳米线进行分区域Ar离子注入，既降低了晶界势垒又大大缩短了沟道层的有效长度。(4) IGZO在促进柔性电子器件发展方面有重要的作用，我们选择IGZO作为源漏电极材料。

薄膜晶体管(TFT)是有源矩阵TFT液晶显示器驱动电路的核心部件。然而，传统的Si基半导体载流子迁移率较低，氧化物TFT在载流子迁移率、均匀性和稳定性等方面都有明显的优势，是未来驱动电路中最有竞争力者之一。在本项目中，我们利用静电纺丝法制备了一维ZnO纳米结构，并应用于TFT的有源层。由于在一维结构中电子在一个方向传播，因而提高了载流子的迁移率，退火后1D-ZnO-TFT 表现出9.2 cm2V-1S-1的场效应迁移率，相比退火前开关电流比提升了三个数量级。之后我们测试了ZnO纳米线传感器的气敏特性，测试电流为140 mA，丙酮浓度为500 ppm时的灵敏度为164，是丙酮浓度为50 ppm时的5倍多。在上述工作基础上，我们利用静电纺丝法制备了NiWO4纳米纤维，并系统地研究了退火温度对纳米纤维的形貌和结晶性的影响。当退火温度升高到650 oC和670 oC后，得到了纯净的NiWO4纳米结构，杂相完全消失；当温度升高到670 oC和700 oC后，晶粒迅速长大，并且表面上的孔洞消失了。本项目接着研究了以具有良好的导电性的SWCNT为有源层的TFT结构，并研究了不同电极对TFT性能的影响，研究表明LaNiO3/SWCNT/BNT/LaNiO3记忆窗口宽度约为3.5 V，开关电流比提高了两个数量级。本项目利用磁控溅射方法在不同条件下制备了In、Ga掺杂ZnO-TFT，研究发现TFT的性能与薄膜的厚度密切相关。随着膜厚增加到30 nm，薄膜的迁移率为14.2 cm2 V-1S-1；随着膜厚继续增加，薄膜的迁移率急剧减小。膜厚由30nm增至60nm时，IGZO-TFT的电流开关比急剧下降，使器件无法正常关断；在空气中500 oC退火后，场效应迁移率为21.4 cm2 V-1 s-1，电流开关比和阈值电压分别为103，10.5 V。我们还利用化学气相沉积法和离子交换法研究了ZnO@ZnS核壳纳米结构的电化学性能。随着硫化时间的增大，ZnO@ZnS核壳结构逐渐由六角棒状转化为圆柱状，而且纳米结构的表面越来越粗糙，在紫外光照射下发射光强度为2.62 mW/cm2;在2 A g-1电流密度条件下，ZnO@ZnS核壳结构的比容量为603.8 F g-1。最后，本项目还研究了TiO2和CdS/TiO2器件在紫外光照射下的紫外光发光强度，与TiO2器件相比，CdS/TiO2器件的紫外光发