基于纳米纤维场效应晶体管的CMOS器件研究及其在生物传感器中的应用

Due to the special characteristic of one-dimensional (1D) nanowire, the applications of 1D nanowire in biosensors exhibit outstanding advantages. The research of this project is to fabricate N-type and P-type metal oxide nanofibers by electrospinning technique. By optimizing the fabrication conditions (e. g., doping elements, doping concentration, annealing temperature etc.), the electrical performance of the nanofiber will be precisely controlled. The low-voltage and high mobility field-effect transistors (FETs) based on N-type and/or P-type metal oxide nanofibers will be integrated on the solution-processed high-k dielectric layers. The effect of the high-k dielectric layer on the electrical performance of the FETs will be studied. By integrating the FETs into CMOS devices, the biosensors based on the CMOS devices will be fabricated and evaluated. The final goal of this project is to realize the biosensors based on CMOS devices with high sensitivity, low-power and wearable characteristics. The implementation of this project not only provide the technology invention in developing the high performance 1D electronic devices, but also provide the substantial foundation in biosensors based on the nanofiber CMOS devices.

由于一维纳米线的固有特点，一维纳米材料在生物传感器中的应用具有更突出的优势。本项目拟利用静电纺丝技术制备N型和P型金属氧化物纳米纤维。通过优化静电纺丝技术的工艺参数（例如，调节氧化物纳米纤维中掺杂元素的种类及含量、退火温度等），调控氧化物纳米纤维的电学性能。通过与溶液法高k介电层的集成得到高迁移率、低操作电压的N型和P型金属氧化物纳米纤维场效应晶体管（FETs），并探索高k介电层对其性能的影响。将多个纳米纤维FETs器件集成CMOS器件，并最终实现高灵敏、多功能、可穿戴的CMOS集成型纳米纤维生物传感器。本项目的实施不仅为未来高性能、低功耗、一维电子器件提供技术基础，还将为CMOS集成型纳米纤维生物传感器的制备提供坚实的理论和实验支持。

一维纳米线具有较大的比表面积，一维纳米纤维是最具代表的一维纳米线材料，由于制备成本低廉，可以大面积制备等优点，一维纳米纤维在场效应晶体管（FETs）中的各种应用具有更突出的优势。本课题采用静电纺丝技术，通过多种焊接工艺，制备了接触界面良好、接触电阻小的系列多元氧化物纳米纤维阵列；发现了各种实验条件对纳米纤维性能的影响，制备了高性能的金属氧化物纳米纤维FETs。本项目研究了基于纳米纤维的FETs器件的制备和电解质FETs在神经形态计算领域的应用。采用的水性溶胶技术成功制备了P型氧化物薄膜和超薄高k介电薄膜（ZrOx, HfO2等），并成功集成到了FETs器件中。通过优化静电纺丝技术的工艺参数（例如，调节氧化物纳米纤维中掺杂元素的种类、掺杂含量、退火温度、高分子组份等）调控氧化物纳米纤维FETs的电学性能。通过与溶液法高k介电层的集成得到高迁移率、低工作电压的金属氧化物纳米纤维FETs。该系列研究过程环保，对大面积制备绿色器件和实现柔性衬底上的器件集成具有重要的指导意义。