一种基于提拉法制备一维氧化物纤维场效应晶体管的方法与流程

本发明属于场效应晶体管制备技术领域，涉及基于一维金属氧化物纤维场效应晶体管的制备方法；特别是一种利用提拉技术制备基于氧化铟(in2o3)纤维的高性能场效应器件的方法。

背景技术：

目前无机材料的研发已经成为电子产业快速发展的重要推动力量。现代微电子技术主要是在硅、锗和砷化镓等无机半导体材料的基础上发展起来的。锗晶体曾是第一代晶体管材料，而硅材料在过去的大半个世纪中在微电子行业中一直占据着主导地位。但是制备这类器件需要高成本、复杂的工艺和苛刻的制备环境。为此，科学家经过不断的研究和探索，提出以宽禁带金属氧化物材料来取代传统的硅基半导体材料(nature432,488,2004)。金属氧化物不仅具有无机半导体材料的优点，还具有其他优势如：高可见光透过率，良好环境稳定性，较低的制备温度，大面积均一性等。另外，金属氧化物半导体材料制备工艺与传统硅基材料兼容、选材范围宽广，具有良好的产业化应用前景。近几年一维氧化物纳米材料凭借其独特的纳米尺度形貌、大比表面积、较大的长度/直径比，以及不同于块状样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，成为材料领域的研究热点。目前一维氧化物纳米材料(点、线、管、棒等)是纳米科学研究的热点之一，它们在纳米电子器件、光学器件、传感器、过滤装置、能源收集、存储和转化器件、纳米复合材料以及生物医学等诸多领域有广阔的应用前景。

目前一维氧化物纤维结构的主要制备方法可以分为气相、液相及静电纺丝技术。传统的气相纤维制备工艺通常分为气-液-固(vls)和气固(vs)方法。该类纤维制备技术通常需要借助化学气相沉积设备(cvd)、严格的气氛环境和高温制备(几百甚至上千摄氏度)。由于其苛刻的生长环境和条件，传统的气相纤维制备工艺只能在实验室开展相关科学研究，很难大面积实际应用。相比之下，液相法(如水热法、溶剂热合成法、电镀法等)具有简便、价格低廉、可大面积制备等优点。然而利用液相法制备的一维纤维结构很难精确控制其方向和位置，这对于后期器件的可重复性制备造成很大的困难。

静电纺丝技术是指聚合物溶液或者熔体在高压静电场作用下形成纤维的过程，是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要方法，具有操作工艺简单以及较广泛的适用性等特点。该技术由formhals等人在上世纪30年代申请的一系列美国专利中进行报道(uspatentno.1975504，1934)。但是随后利用该技术制备纤维的相关研究发展较为缓慢。直到上世纪90年代，凭借美国阿克隆大学reneker小组的一系列研究工作，特别是随着纳米科技的发展，世界各国的科研界和工业界对高压静电纺丝技术的研究热情开始重新点燃，近年来也得到了快速发展(nanotechnology7,216,1996)。电纺技术不仅可以用来制备聚合物纤维，还可以制备复合纤维和氧化物纤维。然而电纺技术一个最大的缺点就是制备过程中纤维的不可控性。简单来说采用该技术制备的纤维会随机地落在接收端，即该技术制备的纤维具有不均匀性，因此不具备大面积可重复制备等特点。为了克服该缺点，一种优化的电纺工艺被提出——近场电纺。该技术大大地减小纤维产生端和接收端的距离(<1厘米)，避免带电纤维在飞行过程中的不稳定性。通过调节接收端移动速度(x-y移动平台)可以实现形貌、位置可控的纤维制备。然而，近场电纺所需要的较复杂的操作流程和昂贵的设备限制了这项技术的发展应用。

基于上述陈述，我们认为研发一种简便、廉价、精确可控的纤维制备技术将成为低维器件下一步发展亟待解决的任务。本发明利用“提拉法”技术制备氧化铟(in2o3)纤维。该方法不仅可以实现位置精确可控的单根功能纤维，同时能够实现复杂纤维花样、大面积制备和高度平行的纤维阵列。我们成功制备了基于该纤维的场效应晶体管(fet)器件。通过调节沟道中in2o3纤维的数量，我们实现了电学性能可控的fet器件。制得的单根in2o3纤维fet器件具有较高的场效应迁移率(0.75cm²/vs)，该数值大于目前利用静电纺丝技术制备的单根氧化物fet器件的最大值。其同时具有的高电流开关比(10⁶)和低漏电流(10^-13a)满足cmos电路对器件开关特性的要求，同时保证了低功耗器件、电路的应用。这些优点使其在未来的电子器件制备和大面积集成领域有很广阔的潜在市场。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计和提供一种简便且性质可控的金属氧化物纤维fet的方法，以硝酸铟为溶质，二甲基甲酰胺作为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮作为增稠剂，采用“提拉”技术和热退火相结合的方式制备高质量、可大面积制备的in2o3半导体纤维，进一步制备以in2o3纤维为沟道层的fet器件，通过调节沟道中in2o3纤维的数量，实现电学性能可控的fet器件的制备。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种基于提拉法制备一维氧化物纤维场效应晶体管的方法，其制备方法如下：

s1，in2o3前驱体溶液的制备：先将硝酸铟in(no3)3^.xh2o溶于二甲基甲酰胺溶剂中，在20-90摄氏度下磁力搅拌1-24小时形成澄清透明、浓度为0.01-0.5摩尔的前驱体溶液，再将聚乙烯吡咯烷酮130万分子量加入到前驱体溶液中，每5毫升前驱体溶液添加聚乙烯吡络烷酮0.1-1.5克；

s2，in2o3纤维的制备：先将配制得到的in2o3前驱体溶液滴到无尘试纸上，利用氮气枪吹至干胶状，将内径为0.1-0.5毫米的医用注射器针头“蘸”到干胶表面，随后以每秒2-20厘米的速度向外提拉针头，由于干胶较高的粘度，针头末端会有丝状物被提起，在表面张力及重力等作用下，丝状物中的溶剂会快速挥发，随后固态纤维会慢慢下落，在此发明中，用热氧化得到的sio2/si衬底作为接收端收集下落的丝状纤维，随后再将提拉制得的in2o3复合纤维样品放到高压汞灯下利用uv光处理10-80分钟，其中汞灯波长范围为200-400纳米，功率为500-1200瓦，然后将光处理后的in2o3复合纤维样品放置在炉子中进行煅烧处理得到相纯的in2o3纤维；其中煅烧环境为空气，炉子温度为300-800摄氏度，退火时间为10-200分钟；

s3，源、漏电极的制备：利用真空热蒸发技术和不锈钢掩膜版在in2o3纤维沟道层上制备金属源、漏电极，即得到基于sio2介电层的in2o3纤维fet器件。

优选的，步骤s3中真空蒸发技术的工艺是将固体材料置于高真空环境中加热，使之升华或蒸发并淀积在特定的衬底上，以获得薄膜的工艺方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

一,是采用“提拉”技术制备in2o3半导体纤维；相比于现有纤维制备技术(如气相、液相及静电纺丝技术)，该技术具有工艺简单，易于操作，成本低廉、可重复性高等优点；二是利用“提拉”技术可以实现纤维大面积(wafer-scale)的有序制备，这是现有纤维制备技术所做不到的；三是利用“提拉”技术可以简便地制备复杂的纤维花样，这同样是现有纤维制备技术所做不到的；四是该发明首次制备了高性能单根in2o3纤维fet器件，为一维器件的发展奠定重要基础；五是利用“提拉”技术可以精确调节沟道中in2o3纤维的数量，实现电学性能可调控的fet器件，为高性能cmos器件、电路的发展奠定良好的科学基础；六是利用购买得到的画笔代替医用针头，我们成功制备了具有高平行度的in2o3纤维阵列，通过增加提拉次数可以有效调节平行纤维阵列数量。其总体实施方案低成本，工艺简单，原理可靠，产品性能好，制备环境友好，应用前景广阔，为大面积制备高性能纤维fet器件提供可行性方案。

附图说明

图1为本发明实施例提出的“提拉法”纤维制备示意图。其中(a)为“提拉法”制备纤维示意图，(b)纤维提拉照片，(c)不同提拉次数得到的具有不同纤维根数的光学显微镜图片；

图2为利用“提拉法”制备得到的具有不同纤维花样的光学显微镜图片；

图3为利用“提拉法”在整个硅片(直径为10厘米)上制备多根平行in2o3纤维；右侧图片为不同区域的纤维光学显微镜图片；

图4(a)为利用“提拉法”和画笔制备in2o3纤维平行阵列的示意图；(b)为不同提拉次数制备的in2o3纤维平行阵列光学显微镜图片(图中数值为得到的不同纤维密度，数值利用image-proplus6.0软件计算得到)；

图5为本发明实施例得到的in2o3纤维扫描电子显微镜图片；其中(a)为提拉得到的单根in2o3复合纤维，(b)为600摄氏度热退火后单根in2o3纤维；

图6为本发明实施例制备的单根in2o3fet器件(结构：al/in2o3/sio2/si)。其中(a)为器件结构图，(b)为源、漏电极间单根in2o3纤维光学显微镜图片，(c)器件在不同栅源电压下(0-40伏，间距10伏)的输出特性曲线，(d)为器件转移特性曲线，其中源漏电压为30伏；

图7为本发明实施例制备的多根in2o3纤维fet器件(结构：al/in2o3/sio2/si)。(a)为具有不同根数(2-5根)的in2o3纤维fet器件的转移特性曲线，其中源漏电压为30伏，(b)为从转移特性曲线得到的最大电流值与纤维根数汇总图；其中内部插图为具有2根和4根fet器件的源、漏电极间的光学显微镜图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过具体实施例并结合附图1-7对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例利用“提拉法”制备in2o3纤维fet器件的工艺步骤主要包括：

(1)in2o3前驱体溶液的配制及in2o3纤维的制备：

将0.1克硝酸铟、0.4克聚乙烯吡咯烷酮(130万分子量)加入到5毫升二甲基甲酰胺溶剂中，用磁力搅拌器旋转12小时，得到无色透明的粘性前驱体溶液；将配置得到前驱体溶液滴到无尘试纸上，利用氮气枪吹1分钟至干胶状。利用内径为0.15毫米的医用注射器针头“蘸”干胶表面，随后以每秒10厘米的速度向外提拉针头，针头末端会有丝状物被提起。在表面张力及重力等作用下，固态丝状物会变细并下落(如图1a)。我们用带有200纳米厚sio2的硅衬底作为接收端收集下落的纤维。由图2我们可以看出，通过调节针头提拉方向，我们可以实现复杂纤维花样的制备。由图3我们可以看出利用“提拉法”制备in2o3纤维可实现大面积(wafer-scale)制备，且不同位置纤维的分布很均匀。如图4所示，利用画笔替代医用注射器针头，可以提拉出多根平行纤维阵列，通过调节提拉次数可以有效调节纤维阵列的密度。

(2)煅烧处理：

对步骤(1)得到的in2o3复合纤维首先利用高压汞灯uv光处理20分钟，其中汞灯波长主峰为365纳米，功率为1000瓦。该过程主要为了增加纤维与衬底的粘附性。随后将纤维样品放置在炉子中进行600摄氏度煅烧60分钟。该步骤可以分解复合纤维中的有机物和配体杂质，得到相纯的in2o3纤维；如图5所示，经过600摄氏度煅烧处理，提拉制得的in2o3复合纤维的直径由2微米减小到250纳米。

(3)热蒸发沉积源、漏金属电极：

通过真空热蒸发技术，在in2o3纤维沟道层上用宽长比为500/50微米的不锈钢掩膜版制备200纳米厚的金属铝作为源、漏电极，制备得到al/in2o3/sio2/si结构的fet器件；

对本实施例制备的in2o3纤维fet器件进行电学性质测试，测试设备为吉时利2634b测试源表。其中单根in2o3纤维fet器件输出、转移特性曲线测试如图6c和6d所示，从图中我们可以得出制得的单根in2o3纤维fet器件具有极好的场效应调控能力，器件电流开关比为10⁶，能够满足cmos电路对器件开关特性的要求。多根in2o3纤维fet器件转移特性曲线测试如图7a所示。从图中我们可以得到通过调节沟道中in2o3纤维的数量可以实现器件电学性质的调控，fet器件的开态电流与纤维数量呈正比例关系(图7b)。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。