本文關鍵詞：單層二硫化鉬背柵場效應晶體管的電學及光電特性研究　出處：《江蘇大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：過去半個世紀以來,以硅基半導體材料為基礎的大規(guī)模集成電路技術得到了飛速發(fā)展,隨著單位面積上半導體器件密度的不斷增加,半導體器件正逐漸接近其尺寸的理論極限,“后摩爾時代”即將到來。二維材料以其優(yōu)越的理化性能、高載流子遷移率及能帶可調等特點,成為最有可能在微電子和光電子等領域引發(fā)革命的材料之一。二硫化鉬薄膜是典型的二維層狀結構材料,單層二硫化鉬具有直接帶隙,多層二硫化鉬具有間接帶隙,有望成為硅基半導體的替代材料。此外,基于二硫化鉬的各種性能優(yōu)異的光電傳感器、氣體傳感器及柔性器件在現(xiàn)代醫(yī)療、環(huán)境、機械及農(nóng)業(yè)等方面都有較大的應用價值。在國家自然基金(No.51675246)的資助下,采用一種新的方法制備了基于二硫化鉬的懸置場效應晶體管,并與傳統(tǒng)的非懸置器件作對比。單層二硫化鉬薄膜樣品是采用化學氣相沉積(CVD)法制備,將單層二硫化鉬薄膜轉移到預先圖形化處理的帶電極襯底上,構成懸置和非懸置的單層二硫化鉬場效應晶體管。光學顯微鏡用來直接觀察樣品與電極接觸情況,拉曼(Raman)光譜用來表征樣品層數(shù)及質量,原子力顯微鏡(AFM)用來表征樣品表面質量及厚度。對懸置和非懸置場效應晶體管輸出特性曲線和轉移特性曲線分析發(fā)現(xiàn),室溫下懸置器件的載流子遷移率比非懸置器件有4倍的提升,隨著溫度升高懸置器件的載流子遷移率升高幅度遠大于非懸置器件的升高幅度。這主要是因為低溫時帶電雜質產(chǎn)生的庫倫散射是限制其載流子遷移率的主要因素,溫度升高時器件載流子遷移率主要被表面聲子散射限制。器件的轉移特性曲線出現(xiàn)較大的磁滯現(xiàn)象,給器件性能帶來較大的不穩(wěn)定。室溫條件下懸置器件的磁滯現(xiàn)象強度小于非懸置器件的強度,隨著溫度的升高兩器件中的磁滯現(xiàn)象強度都出現(xiàn)不同程度的增大。這主要是由于器件上吸附的雜質中的電子轉移到溝道材料中充當電荷載流子,導致磁滯現(xiàn)象的發(fā)生,高溫條件下電子通過接觸面間肖特基勢壘的幾率大大增加,導致磁滯現(xiàn)象的增強。在測試器件電學性能過程中發(fā)現(xiàn)懸置器件由于柵氧化層較薄,器件會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。這主要是因為硅氧鍵的鍵能較弱,在高電場作用下硅氧鍵斷裂導致缺陷在界面集聚,當大量缺陷形成的滲透通道在熱損傷作用下形成穩(wěn)定的傳輸通道時器件被擊穿。二硫化鉬場效應晶體管理論性能的研究對基于二硫化鉬薄膜的性能優(yōu)異的晶體管及傳感器的實際應用具有較大的促進作用。
[Abstract]:In the past half century, large scale integrated circuit (LSI) technology based on silicon based semiconductor materials has been developed rapidly, with the increasing density of semiconductor devices per unit area. Semiconductor devices are approaching the theoretical limit of their size and the "post-molar era" is coming. Two-dimensional materials are characterized by their superior physical and chemical properties, high carrier mobility and tunable band. Molybdenum disulfide thin film is a typical two-dimensional layered structure material, monolayer molybdenum disulfide has direct band gap. Multilayer molybdenum disulfide has an indirect band gap and is expected to be an alternative material for silicon based semiconductors. In addition, various excellent photoelectric sensors, gas sensors and flexible devices based on molybdenum disulfide are used in modern medicine and environment. Mechanical and agricultural applications are of great value. Supported by the National Fund for Nature No. 51675246, a new method has been developed for the fabrication of mount field effect transistors based on molybdenum disulfide. The monolayer molybdenum disulfide films were prepared by chemical vapor deposition (CVD) method. The monolayer molybdenum disulfide films were transferred to the pre-patterned substrate with electrodes. The monolayer molybdenum disulfide field effect transistors were constructed. Optical microscope was used to observe the contact between the sample and the electrode. Raman Raman spectroscopy was used to characterize the layer number and mass of the sample. AFM was used to characterize the surface quality and thickness of the samples. The output and transfer characteristic curves of the suspended and unmounted FET were analyzed. The carrier mobility of the mount device at room temperature is 4 times higher than that of the non-mount device. With the increase of temperature, the carrier mobility of the mount device is much higher than that of the non-mounted device. This is mainly because the Coulomb scattering caused by charged impurity at low temperature is the main factor limiting the carrier mobility. . The carrier mobility of the device is mainly limited by surface phonon scattering when the temperature increases. The transfer characteristic curve of the device has a large hysteresis phenomenon. The hysteresis intensity of the mount device is lower than that of the non-mount device at room temperature. With the increase of temperature, the hysteresis intensity of both devices increases in varying degrees, which is mainly due to the transfer of electrons from the impurities in the devices to the channel materials to act as charge carriers. As a result of hysteresis, the probability of electron passing through Schottky barrier between contact surfaces at high temperature is greatly increased. In the process of testing the electrical properties of the device, it is found that the device will break down because of the thin gate oxide layer. This is mainly due to the weak bond energy of the silicon and oxygen bond. Under the action of high electric field, the fracture of SiO2 bond leads to the accumulation of defects at the interface. The device is broken down when the permeable channel formed by a large number of defects forms a stable transmission channel under thermal damage. A study on theoretical Properties of molybdenum disulfide Field effect Transistor based on excellent performance of molybdenum disulfide thin Film. And the practical application of the sensor has a greater role in promoting.
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN386

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本文編號：1406879