氧化物半导体纳米线双电层静电调控及其器件应用

在氧化物半导体纳米线和双电层薄膜晶体管良好研究基础上，本项目拟开展有关无机介质颗粒膜双电层电容对SnO2、ITO等氧化物半导体纳米线电学特性调控及其器件应用的研究。项目拟采用低温PECVD技术沉积SiO2、Al2O3等纳米颗粒膜栅介质。通过在沉积过程中原位加氢或者后续离子溶液处理等方式，在颗粒膜中引入过量质子、离子，以改善界面双电层电容特性。结合介电表征技术阐明界面双电层的起源，极化机理。接着将结合自组装和常规光刻技术制作单根氧化物半导体纳米线晶体管，详细表征该双电层对氧化物纳米线的电子态调控行为，通过施加正栅压，在未掺杂高阻氧化物纳米线中静电感应获得高浓度准一维电子气。在此基础上，详细表征纳米线双电层晶体管的电子迁移率、开关比、亚阈值摆幅、阈值电压等电学参数。这类超低压双电层纳米线晶体管在便携式、超高灵敏纳米传感器领域具有重要应用价值。

在过去的十多年中，氧化物半导体纳米线引起了世界各国研究人员的广泛关注。界面双电层效应为半导体电学特性的调控提供了一种强大技术手段，同时也为新概念器件的研制带来了新的机遇。本项目成功制备了若干种具有巨大双电层电容的栅介质薄膜，并深入研究了上述双电层栅介质对氧化物半导体纳米线和非晶氧化物半导体薄膜的电子态调控。在此基础上，研制超低压氧化物纳米线和薄膜晶体管，并成功探索了上述氧化物双电层晶体管在便携式传感器和人造突触领域的应用。1) 我们成功研制了单根SnO2纳米线双电层晶体管，并且发现由于SiO2纳米颗粒膜的巨大双电层电容，器件工作电压仅为1.0 V。SnO2纳米线双电层晶体管的场效应迁移率和亚阈值摆幅为106.8 cm2/V.s and 92 mV/decade。2) 我们研究结果表明，采用溶液法制备的壳聚糖薄膜也具有双电层效应，并进一步研制了以壳聚糖为栅介质的SnO2纳米线晶体管。该纳米线晶体管的工作电压、电子迁移率和亚阈值斜率分别是约为1.0 V、128 cm2/Vs和90 mV/decade。3) 我们还成功研制了基于氧化物双电层晶体管的人造电子突触，并成功实现了尖峰时间依赖的可塑性、包括双脉冲易化、动态滤波在内的短程塑性的仿生。更为重要的是，我们还在上述突触器件中实现了具有超低功耗的树突算法和突触仿生pH传感器。我们的研究结果为仿生传感和神经形态应用奠定了良好的物理和器件基础。基于上述研究结果，我们累计发表包括1篇Nature Communications、1篇Advanced Materials，4篇Nanoscale, 5篇Applied Physics letters和15篇IEEE Electron Device Letters在内的30篇高水平SCI论文。