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二硫化钼负电容场效应晶体管的制备及性能研究

窦明旺  
【摘要】:进入本世纪,金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductorn,MOS)集成电路依赖于“摩尔定律”得到了巨大的发展。但是,MOS器件已经快达到其物理尺寸的缩放极限,在金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorn,MOSFET)尺寸缩放的同时,如何降低MOSFET的工作电压以减小功耗就尤为重要。但是对于常规的栅极电介质材料,基于玻尔兹曼分布的玻尔兹曼极限定义了室温下MOSFET的60 m V/dec亚阈值摆幅极限,很难继续做到降低。如何突破MOSFET的亚阈值摆幅极限,降低器件功耗成为场效应晶体管研究的关键。因此,本文针对如何降低器件功耗的问题展开研究具有重要的实际应用价值。首先,本文介绍了制备二维材料二硫化钼薄膜样品的两种方法,即微机械剥离法和化学气相沉积法。其中通过微机械剥离法制备的样品尺寸达到了70μm以上,为推动后续相关器件的制备和实验工作打下了良好的基础。其次,在微机械剥离法制备二硫化钼薄膜样品的基础上,本文又制备了基于硅/二氧化硅为衬底、二硫化钼为沟道的场效应晶体管并对其进行了电学性能测试,测试结果表明该器件的具有良好的电学性能,其中金属电极与二维材料具有很好的欧姆接触,为后续的金属电极与多层材料的接触奠定了基础。最后,本文采用石墨烯作为栅电极,硫磷化铜铟掺杂晶体(Cu In P_2S_6,CIPS)作为栅极负电容层,制备了石墨烯/CIPS/六方氮化硼/二硫化钼四层二维材料堆叠结构的新型二硫化钼负电容场效应晶体管。探究了负电容材料CIPS的厚度对二硫化钼负电容场效应晶体管性能的影响,分析了合理的电容匹配对负电容效应起到了重要的作用。制备的二硫化钼负电容场效应晶体管表现出陡峭的亚阈值摆幅和较大的电流开关比,其中正向和反向电压扫描的最小亚阈值摆幅分别达到了SS_(min)=37.5 m V/dec和SS_(min)=36.7 m V/dec,均突破了传统的亚阈值摆幅极限,实现了器件功耗的降低。同时电流开关比达到了10~7量级,关态电流达到了10~(-13)量级。此外,还探究了真空热退火以及光照对二硫化钼负电容场效应晶体管性能的影响,在真空中200℃热退火2h后,器件的磁滞窗口明显的减小,最小磁滞窗口为0.05V,可以忽略不计。另外二硫化钼负电容场效应晶体管具有陡峭的亚阈值摆幅,有助于增加明暗电流比,在光电检测领域有着潜在的应用前景。


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