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DATE:2019.04.16

  近年来,双栅薄膜晶体管由于其具有可控的阈值电压调节特性,在化学及生物传感器领域引起了广泛的研究兴趣。然而,传统的双栅晶体管都是基于一种典型的三明治结构,半导体沟道被两层栅介质夹在中间,其实质上可以看做是一个底栅晶体管和顶栅晶体管的共用沟道复合晶体管。国际上一些研究小组已经相继报道了双栅晶体管在湿度传感、pH值传感、病毒生物分子探测等领域的应用。尽管这些报道的双栅晶体管具有比较满意的器件性能,但是制备这些器件需要多步的薄膜沉积工艺以及精准的对准光刻技术。因此,设计和开发一种具有简单器件工艺的高性能双侧栅晶体管具有重大的研究意义和潜在的应用价值。

  近日,中科院宁波材料技术与工程研究所所属新能源技术所万青课题组设计了一种新型具有双侧栅结构的低压双电层薄膜晶体管。模拟计算表明,一个侧栅可以有效地调控器件的阈值电压和工作模式。课题组还发明了一种基于单个金属掩膜的自组装绕射技术,一次薄膜沉积过程即可巧妙地完成器件的源/漏、两个侧栅和沟道薄膜沉积。

  图1(a)双侧栅薄膜晶体管的结构和工艺示意图显示,利用磁控溅射沉积ITO源、漏和双侧栅电极时,保持金属掩模版和衬底间特定的距离,ITO会绕射并自组装到源/漏电极间,形成一层薄薄的沟道。图1(b)显示的是该器件的光学显微照片,器件的共平面双侧栅和自组装沟道都可以很清楚地观察到。图2显示的是器件的第二个侧栅电极偏置电压对该薄膜晶体管转移曲线的影响。当第二共面栅极电压偏置从3V变到-2V时,器件的阈值电压随之从-0.55V变化到0.76V,实现了器件从典型的耗尽型模式向增强型模式的转变。

  该类共平面双侧栅双电层薄膜晶体管具有工艺步骤简单、超低压工作等特点,在低成本便携式传感器领域具有重要应用价值。有关结果发表在权威杂志Nano Letters【11, 3987–3990 (2011)】和Applied Physics Letters【99, 113504 (2011)】上。

  图1:(a)双侧栅双电层薄膜晶体管结构和工艺示意图,(b)器件的光学显微照片

  图2:(a)第二个侧栅电极偏置电压对器件转移特性的影响,(b)相应的(IDS)1/2-VGS曲线

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