Si基電子器件的發(fā)展不再遵循摩爾規(guī)律:隨著器件尺寸的縮小,短溝道效應(yīng)發(fā)生,器件的電學(xué)性能退化。二維材料具備原子級(jí)厚度和平整度等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),有望替代Si半導(dǎo)體成為新的溝道材料,在電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。本文基于TMDs和InSe兩種二維材料,圍繞2D FET的電學(xué)性能優(yōu)化和二維材料在電子邏輯器件中的拓展性應(yīng)用展開研究。第一章和第二章,先簡要介紹了二維材料的研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)關(guān)注了TMDs和InSe的基本物理性質(zhì)。然后總結(jié)了2D FET電學(xué)性能優(yōu)化的4種可行性方案:1、選擇具備高遷移率特性的溝道材料;2、縮小器件尺寸;3、選擇合適厚度的氧化層材料;4、改善接觸工藝,降低接觸電阻。另外還介紹了2D FET的制備工藝和測(cè)試方法。第三章主要研究了 InSe在低溫真空和室溫空氣兩種測(cè)試環(huán)境中的電學(xué)性質(zhì)變化。并且比較了不同襯底上InSe的電學(xué)性能差異:利用Si02作為襯底,InSe的電子遷移率是471 cm2v-1s-1,開態(tài)電流大約是10 μA;而利用h-BN作為襯底,InSe的電子遷移率可以提高到931 cm2-1s-1,開態(tài)電流達(dá)到20μA。這是因?yàn)閔-BN和InSe具有類似的結(jié)構(gòu),能夠屏蔽大部分的載流子散射作用,和減輕InSe下表面的氧化反應(yīng)程度,進(jìn)而改善了InSe的電學(xué)性能。之后通過總結(jié)InSe的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù):室溫下遷移率接近103 cm2v-1s-1,薄層帶隙大約為1.4 eV,電子有效質(zhì)量較輕(m*=0.143m0),相對(duì)介電常數(shù)為7。當(dāng)InSe作為溝道材料時(shí),能夠獲得具備高遷移率、高開關(guān)比、低漏電流等高性能2D FET器件。第四章主要研究了InSe FET電學(xué)性能優(yōu)化的具體策略,包括:選擇high-K材料作為介電層、縮小器件尺寸和降低接觸電阻。重點(diǎn)關(guān)注通過縮小器件尺寸提升InSe FET的電學(xué)性能,具體方案設(shè)計(jì)如下:1、利用Ag納米線作為掩模版,直接獲得長度100 nm以下的溝道;2、利用Ag納米線作為局域柵電極材料,先通過全局柵調(diào)節(jié)InSe至金屬態(tài),再通過局域柵調(diào)制金屬態(tài)InSe的開關(guān)性能,獲得有效長度100 nm以下的溝道。但兩種方案并未提高器件的開態(tài)電流密度,這主要是因?yàn)榉桨?的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝存在局限性,以及方案2制備的短溝道器件受到金屬態(tài)InSe中載流子濃度的限制。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在縮小溝道長度過程中,InSe FET的接觸電阻是阻礙電學(xué)性能進(jìn)一步提升的關(guān)鍵因素。第五章提出了通過降低接觸電阻提升InSe FET開態(tài)電流密度的有效方案。首先發(fā)現(xiàn)了InSe金屬接觸存在界面間的釘扎效應(yīng)和接觸電阻大的問題,然后利用石墨烯作為中間層改善InSe接觸,降低接觸電阻。具體實(shí)現(xiàn)方案有以下2種:1、利用PDMS干法轉(zhuǎn)移制備InSe石墨烯接觸器件,遷移率達(dá)到1200 cm2v-1s-1以上,開關(guān)比107,開態(tài)電流密度從InSe金屬接觸的不足0.1mA/μm提高到0.56 mA/μm,漏電流至nA量級(jí);2、利用PVA濕法轉(zhuǎn)移制備InSe石墨烯接觸器件,遷移率是877 cm2v-1s-1,開態(tài)電流密度進(jìn)一步提高到0.83 mA/μm,漏電流至10-1nA量級(jí)。所以,利用石墨烯作為中間層材料可以有效改善InSe FET接觸,降低接觸電阻,其器件的電學(xué)性能符合ITRS 2017規(guī)定的晶體管參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。第六章主要研究了基于TMDs的S-型NDR器件的實(shí)現(xiàn)方案和誘導(dǎo)機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)在金屬/TMDs/金屬垂直結(jié)構(gòu)中可以穩(wěn)定的觀測(cè)到NDR現(xiàn)象,并且利用焦耳加熱效應(yīng)引起的熱反饋機(jī)制對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行理論擬合和機(jī)制解釋。最后總結(jié)了本文所有的研究內(nèi)容,討論了研究過程中還存在的問題,并展望了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展前景。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN03
【部分圖文】：

圖１．１不同體系的二維材料分類統(tǒng)計(jì)：圖片摘自文獻(xiàn)丨３９１??對(duì)于？＇新性質(zhì)”的研究，每個(gè)體系的二維材料除了基本物理性質(zhì)的研究，也會(huì)隨著制備??１：藝或測(cè)試手段等技術(shù)上的改進(jìn)，進(jìn)行一些特殊性質(zhì)的探索。材料的基本物理性質(zhì)研宂主??要包括：光學(xué)表征（如拉曼測(cè)試等）丨３丨、電子學(xué)表征（載流子遷移率、電導(dǎo)等電學(xué)性質(zhì)）??

圖１．２不同帶隙的二維材料在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用圖片摘自文獻(xiàn)丨５６］：??對(duì)于“新應(yīng)用”的研宄，二維材料的穩(wěn)定性和大規(guī)模應(yīng)用一直是電子學(xué)領(lǐng)域研宄的最終??目標(biāo)。圖１．２列舉了二維材料在數(shù)字邏輯電路、射頻電路、光電器件、生物傳感器、納米??力傳感器等方面的應(yīng)用。邏輯電子學(xué)器件的研究，重點(diǎn)集中在提升電學(xué)性能、實(shí)現(xiàn)多類型??的邏輯元器件、實(shí)現(xiàn)工藝集成化等方向丨５７－６１丨；光電器件的研宄，主要集中在光電探測(cè)器??等性能提升和實(shí)際性應(yīng)用［４４－４６．２３］；柔性電子器件的研宄，主要是針對(duì)可穿戴領(lǐng)域內(nèi)的??研宄和應(yīng)用。??通過對(duì)二維材料研究現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高遷移率的二維半導(dǎo)體材料的關(guān)注度較??高：如ＢＰ、ＩｎＳｅ等材料，都在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下觀測(cè)到了量子霍爾效應(yīng)［４１．４３．８６｜。但是??這種類型的二維材料在電子器件結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)、器件性能上的優(yōu)化、室溫環(huán)境下封裝測(cè)試??和應(yīng)用等方面，還存在很多的問題亟待解決。??２??

其中Ｘ是上下兩層硫族原子（如：Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ），Ｍ是中間的一層過渡金屬原子（如：??Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｒｅ等），兩類原子組成Ｘ－Ｍ－Ｘ結(jié)構(gòu)，層與層之間存在范德瓦爾斯力??１１４．２１．６２－６４丨，材料結(jié)構(gòu)見圖１．３〇?Ｘ－Ｍ－Ｘ結(jié)構(gòu)在層與層之間由于堆疊方式不同，會(huì)形成??：．種晶體結(jié)構(gòu)，分別是２Ｈ、３Ｒ和１Ｔ型，每種晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的物理性質(zhì)【６５丨。其中，??３??
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本文編號(hào)：2845905