【摘要】：離子電子學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,它涵蓋了電化學(xué)、凝聚態(tài)物理、微電子甚至生物科學(xué)等學(xué)科內(nèi)容。離子電子學(xué)強(qiáng)調(diào)離子與電子之間的相互作用或者離子對電子的調(diào)控作用。電解質(zhì)柵控技術(shù)是離子電子學(xué)研究中的一種典型技術(shù)手段,通過電解質(zhì)柵控可以設(shè)計一些新原理信息器件,如場控超導(dǎo)、鐵磁相變以及Mott相變等器件。雙電層晶體管采用離子導(dǎo)體電解質(zhì)材料作柵介質(zhì)層,是一種典型的離子調(diào)控型電子器件。由于雙電層晶體管中獨(dú)特的離子?xùn)趴匦袨?它十分適合用作仿生突觸器件。論文首先研制了氧化物雙電層薄膜晶體管,并在晶體管上發(fā)現(xiàn)了不同的工作模式,然后進(jìn)一步探索了雙電層薄膜晶體管在仿生突觸器件中的應(yīng)用。本論文主要內(nèi)容如下:(1)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了磷硅玻璃納米顆粒薄膜(PSG),該薄膜表現(xiàn)出了極高的室溫質(zhì)子電導(dǎo)率(~9×10~(-4)S/cm)和極大的雙電層電容(~5μF/cm~2)。采用PSG電解質(zhì)薄膜作為柵介質(zhì),并采用低成本的磁控濺射工藝制備了底柵型和共平面柵型氧化物雙電層薄膜晶體管,這些器件表現(xiàn)了良好的晶體管性能。比如,底柵型自組裝ITO薄膜晶體管的工作電壓僅為1.5V,遷移率達(dá)到7cm~2V~(-1)s~(-1),開關(guān)比達(dá)到1×10~7,亞閾值斜率僅為~80mV/decade。(2)研制的IGZO雙電層薄膜晶體管可以在贗二極管工作模式下進(jìn)行操作。將底柵電極作為調(diào)控端,當(dāng)調(diào)控端偏壓由0.1V降低至-0.9V時,在±1V電壓下贗二極管的整流比從~2增大到5×10~4。在1V的電壓調(diào)控范圍內(nèi),贗二極管的整流比可以從~2增大到5×10~4。在此贗二極管上,成功模擬了突觸響應(yīng)行為,如突觸后電流極化/去極化行為、抑制性短程塑性行為和適應(yīng)性行為等。(3)在PSG電解質(zhì)上發(fā)現(xiàn)了與傳統(tǒng)熱氧化方法制備的SiO_2完全不同的電容充放電行為,PSG電解質(zhì)電流充電后其電勢呈現(xiàn)了獨(dú)特的短時程衰減特性,這種遲豫放電行為源自電解質(zhì)中的質(zhì)子遷移特性。進(jìn)一步基于這種獨(dú)特的電容充放電過程,設(shè)計了一種具有雙共平面柵結(jié)構(gòu)的IWO雙電層薄膜晶體管,并成功實現(xiàn)了對Hodgkin-Huxley突觸膜電位響應(yīng)的模仿,如靜息電位、興奮性/抑制性突觸后電位、膜電位的極化/去極化、動作電位的激發(fā)等。
【圖文】：

第一章 緒論絕緣柵型場效應(yīng)晶體管等同于金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，并不加以區(qū)分自從 1959 年貝爾實驗室成功研制出首個基于硅基的場效應(yīng)晶體管，基于硅/二氧化硅體系的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管便深深的影響著人類的信息與通信技術(shù)。圖 1.1（a）給出了典型的 MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 MOSFET 器件采用重?fù)诫s的 p 型硅片作為襯底和溝道，采用熱氧化的二氧化硅作為柵絕緣層通過在源漏區(qū)域摻雜形成兩個中摻雜的n型區(qū)。這樣在源漏極之間就形成了n-p結(jié)構(gòu)，通過柵極電壓的電場效應(yīng)調(diào)控 p 型硅溝道中產(chǎn)生反型層從而實現(xiàn)源漏極之間的導(dǎo)通。

圖 1.2 典型 OTFT 的電學(xué)性能。（a）OTFT 截面示意圖；（b）轉(zhuǎn)移曲線；（c）輸出曲線。OTFT 的工作原理類似于 MOSFET。圖 1.2（a）給出了圖 1.1（b）中 OTFT對應(yīng)的截面圖。如圖所示，源極接地，在柵極上施加?xùn)艠O電壓（VGS）調(diào)控溝道導(dǎo)電性，在漏極上施加漏極電壓（VDS）讀取溝道電流（IDS）。圖 1.2（b），（c）分別給出了一個典型的 n 型氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的飽和區(qū)轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線。其中，轉(zhuǎn)移曲線是固定源漏電壓，掃描柵極電壓讀取源漏電流；而輸出曲線則是固定柵極電壓為一初始值，掃描源漏電壓讀取源漏電流，然后逐步增大柵極電壓。如圖 1.2（b）所示，當(dāng)柵極電壓低于開啟電壓（VON> VGS）時，氧化物溝道無法感應(yīng)出載流子，，溝道處于完全關(guān)斷狀態(tài)，源漏電流很小，此時稱之為關(guān)斷區(qū)。當(dāng)柵極電壓增大至超過開啟電壓但仍低于閾值電壓（VON< VGS< VTH）時，氧化物溝道表面感應(yīng)出少量載流子，源漏電流由擴(kuò)散電流主導(dǎo)，因而源漏電流隨著柵極電壓呈指數(shù)變化關(guān)系： ~ [ （ ） ] （1.1）其中，kB和 T 分別為玻爾茲曼常數(shù)和絕對溫度；此時溝道處于部分開啟狀態(tài)，稱
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TN321.5

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