本文選題：二硫化鉬 + 石墨烯�。� 參考：《中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)》2017年博士論文

【摘要】：將晶體管的尺寸不斷縮小一直都是半導(dǎo)體芯片行業(yè)的發(fā)展方向。然而,傳統(tǒng)硅基晶體管經(jīng)過多年的小型化,器件尺寸已經(jīng)逐漸接近物理極限,在這種情況下,短溝道效應(yīng)將會嚴(yán)重抑制器件的性能。因此,人們試圖尋找新型的溝道材料替代傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體,以求延續(xù)晶體管尺寸不斷縮小的趨勢。近年來,以層狀二硫化鉬為代表的二維半導(dǎo)體的出現(xiàn),為解決這一問題提供了很好的思路。單層二硫化鉬是一種具有2.2 eV直接帶隙的單原子層厚度的二維半導(dǎo)體,具有優(yōu)異的電子學(xué)以及光電子學(xué)性能。更重要的是,單層二硫化鉬對短溝道效應(yīng)超強(qiáng)的免疫力,這使得它成為極具潛力的未來電子學(xué)備選溝道材料�；诖�,本文探索了以單層石墨烯為接觸電極的超短溝道二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,具體包括:1.石墨烯-二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的構(gòu)造。我們發(fā)展了一種簡單高效的二維晶體轉(zhuǎn)移方法,并以此構(gòu)筑具有干凈接觸界面的二維材料異質(zhì)結(jié)。我們將適量的聚碳酸丙烯酯(PC)溶液滴在支撐待轉(zhuǎn)移二維晶體樣品(比如單層二硫化鉬)的襯底上,并將之高溫固化成膜,然后利用它為載體。當(dāng)這層PC膜被揭起時(shí),由于其較強(qiáng)的粘附性,待轉(zhuǎn)移樣品會離開原來襯底并附著在PC膜底。接著利用我們自行搭建的轉(zhuǎn)移設(shè)備,在光學(xué)顯微鏡下對準(zhǔn),將PC膜底部的待轉(zhuǎn)移樣品精確轉(zhuǎn)移到另一塊目標(biāo)二維晶體(比如單層石墨烯)上構(gòu)筑具有干凈接觸界面的二維材料異質(zhì)結(jié)。2.石墨烯電極超短溝道二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的構(gòu)筑及其電學(xué)性能測量與分析。利用我們課題組之前發(fā)展的石墨烯氫等離子體各向異性刻蝕技術(shù),可以將石墨烯的晶界精確可控地展寬至幾個(gè)納米的尺度。我們以納米級展寬晶界兩邊的單層石墨烯為電極,構(gòu)筑了超短溝道單層二硫化鉬晶體管。該晶體管的溝道長度等同于石墨烯晶界展寬后的寬度,也就是說,以單層石墨烯為接觸電極的超短溝道二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的溝道長度可以減小至幾個(gè)納米。我們分別對溝道長度為8nm和3.8nm的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管進(jìn)行了電學(xué)特性測量。這些器件呈現(xiàn)出線性的輸出特性曲線,表現(xiàn)出歐姆接觸的行為,體現(xiàn)了石墨烯在超短溝道二硫化鉬器件中作電極的優(yōu)越性。對于8nm溝道長度,器件仍然表現(xiàn)出了很好的開關(guān)性能,其開關(guān)比可達(dá)1.5×106,其場效應(yīng)遷移率可達(dá)28cm2V-1s-1,這些可以與長溝道二硫化鉬器件相比擬的性能說明器件在此溝道長度時(shí)沒有發(fā)生短溝道效應(yīng);對于3.8nm溝道長度,器件開關(guān)比為5×105,相比于8nm器件有所降低,這雖然是一種輕度的短溝道效應(yīng),但是對于高性能場效應(yīng)晶體管而言,仍在可接受的范圍。也就是說,二硫化鉬場效應(yīng)晶體管可以在突破5nm極限的同時(shí)保持優(yōu)異的電學(xué)性能。本研究結(jié)果也體現(xiàn)了二硫化鉬在未來超短溝道器件應(yīng)用中的極大潛力。
[Abstract]:Reducing the size of transistors is always the development direction of semiconductor chip industry. However, due to the miniaturization of traditional silicon based transistors for many years, the device size is gradually approaching the physical limit. In this case, the short channel effect will seriously inhibit the performance of the devices. Therefore, people try to find new channel materials instead of traditional silicon-based semiconductors, in order to continue the shrinking trend of transistor size. In recent years, the appearance of two-dimensional semiconductor represented by layered molybdenum disulfide provides a good way to solve this problem. Monolayer molybdenum disulfide is a two-dimensional semiconductor with a direct band gap of 2.2 EV. It has excellent electronic and optoelectronic properties. More importantly, monolayer molybdenum disulfide has a strong immunity to short channel effect, which makes it a promising candidate for future electronics. Based on this, an ultrashort channel molybdenum disulfide field effect transistor with single-layer graphene as contact electrode has been investigated, including: 1. Structure of graphene-molybdenum disulfide heterojunction. We have developed a simple and efficient two-dimensional crystal transfer method and constructed two-dimensional heterojunction with clean contact interface. We drop a proper amount of polypropylene carbonate (PCO) solution on the substrate supporting the two-dimensional crystal sample (such as monolayer molybdenum disulfide) and solidify it into film at high temperature and then use it as the carrier. When this layer of PC film is lifted, due to its strong adhesion, the sample to be transferred will leave the original substrate and adhere to the substrate of PC film. And then, using our own transfer equipment, we aim at it under an optical microscope, The sample to be transferred from the bottom of the PC film is accurately transferred to another target two-dimensional crystal (such as single-layer graphene) to construct a two-dimensional heterojunction with clean contact interface. The Fabrication and Electrical Properties Measurement and Analysis of Graphene electrode Ultra-short Channel Molybdenum disulfide Field effect Transistor. Using the graphene hydrogen plasma anisotropic etching technique developed before our research group, the grain boundary of graphene can be extended to several nanometers accurately and controllably. A monolayer molybdenum disulfide transistor with ultrashort channel was fabricated using graphene monolayer on both sides of grain boundary as electrode. The channel length of the transistor is equal to the width of graphene grain boundary, that is, the channel length of ultrashort molybdenum disulfide field effect transistor with single graphene as contact electrode can be reduced to several nanometers. The electrical properties of molybdenum disulfide field effect transistors with channel length of 8nm and 3.8nm have been measured respectively. These devices show linear output characteristic curves and ohmic contact behavior, which shows the superiority of graphene as electrode in ultrashort channel molybdenum disulfide devices. For the 8nm channel length, the device still shows good switching performance. The switching ratio can reach 1.5 脳 106, and the field effect mobility can reach 28cm2V-1s-1.These properties can be compared with those of long channel molybdenum disulfide devices, which indicate that there is no short channel effect at this channel length; for 3.8nm channel length, The switching ratio of the device is 5 脳 10 5, which is lower than that of the 8nm device. Although it is a mild short channel effect, it is still in the acceptable range for the high performance field effect transistor. In other words, molybdenum disulfide field effect transistors can break the 5nm limit while maintaining excellent electrical properties. The results also show the great potential of molybdenum disulfide in the application of ultrashort channel devices in the future.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN386

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本文編號：2003185