平面双栅型离子栅晶体管的逻辑功能研究

作     者：桑旭慧 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵枫;华斌

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：离子栅晶体管 平面双栅 逻辑功能 动态响应 水凝胶 

摘      要：逻辑门电路是数字集成电路的关键电路单元,是组成数字系统的基本结构,通常由CMOS或TTL逻辑电路构成。近年来,离子栅晶体管作为一种新型半导体器件,因其低电压、可多栅调控的特点以及在化学传感和类脑器件方面的运用而备受关注。由于离子栅晶体管具有侧向长程调控的能力,十分有利于制备成平面双栅的结构,进一步利用两个栅极的不同电压输入,对栅介质内离子和沟道内电子耦合情况进行调控,从而实现独特的逻辑功能输出。此外,栅介质中的离子输运较为迟缓一直被认为是造成离子栅晶体管器件响应速度缓慢、工作频率低,无法实际用于逻辑门电路的制约因素,也是目前离子栅晶体管研究中的一个难点。因此,本课题以一种平面双栅结构的离子栅晶体管为研究对象,对该器件的两个栅极进行调控,成功实现各种结构精简的逻辑门电路,进一步明确制约离子栅晶体管动态响应速度的关键因素,研究其栅控机制的实验模型,从而期望在实践中通过优化器件结构和材料性质来改善其动态响应速度。基于上述认知,本文结合器件制备工艺、电学性能测试、逻辑功能实现、电化学阻抗分析、离子输运机制和水凝胶材料等方面的工作,开展了如下研究:(1)制备平面侧栅型离子栅晶体管器件并对其基本电学性能进行测试。首先设计平面双栅器件的掩模版,配制了聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)溶液作为栅介质,利用磁控溅射技术制备了氧化铟镓锌(IGZO)导电沟道以及氧化铟锌(IZO)源/漏电极和栅极电极。接着通过探针台外接源表对两个侧栅电极进行转移特性、输出特性和开关特性测试,器件的开关比达到了约10,V分别约为-0.24 V和-0.25 V,器件迁移率约为1.81 cm·Vs,结果表明,器件具有良好的电学特性且两个栅极有基本相似的电学性能。此外,通过3D激光扫描显微镜测量得到该平面双栅型离子栅晶体管的PSSNa层的中心膜厚约为2μm。(2)实现基于平面双栅型离子栅晶体管的各种结构精简的逻辑门。首先对离子栅晶体管的双栅调控机制进行了理论分析与描述,接着利用探针台外接信号发生器、示波器、多功能万用表、直流电源等,成功实现电流输出形式的AND逻辑,通过跟随器电路实现AND逻辑的电压输出,再通过搭建反相器电路实现NOT和NAND逻辑电压输出,后又成功实现OR和NOR逻辑的电压输出。最后对各种逻辑器件的动态响应时间进行计算,结果与文献中报道的离子栅晶体管的响应时间水平一致。(3)利用阻抗分析方法对离子栅晶体管的离子传输进行研究。首先建立合适的等效电路模型,利用LCR表对几种不同结构的器件进行阻抗测量,并根据等效电路模型拟合实验数据,得到电解质电阻值R和离子电导率σ。分析几种结构参数的变化对离子传输电阻的影响,通过等效电路的分析明确了上述因素对器件响应速度的作用,得出如下结论:沟道与栅电极之间的距离越小,栅介质厚度越薄以及栅介质内部的离子浓度越高,越有利于器件响应速度的提高。同时对平面侧栅和顶栅结构离子栅晶体管的阻抗测量结果和动态响应时间进行比较分析,证明顶栅结构器件在这方面更具有优势。(4)对作为离子栅晶体管的电解质的水凝胶材料进行研究。水凝胶具有吸水能力强、生物相容性好、离子扩散速度快、生物降解性等特点,首先介绍水凝胶的合成材料、固化方法,以及实验室制备的水凝胶实物。接着制备了Ag/水凝胶/ITO三明治结构,测量其电容-频率特性,改变水凝胶内部离子浓度测量其电化学阻抗图谱,结果表明,与PSSNa相比,水凝胶拥有更高的工作频率和更大的单位面积电容,R明显降低且σ显著提高,作为电解质材料具有更大的优势。最后将水凝胶以贴合方式制备成平面侧栅型离子栅晶体管,对其各项电学性能以及瞬态响应时间进行测试和计算,证明了该水凝胶电解质可以较好的运用于离子栅晶体管器件。