单层石墨烯在场效应晶体管中的应用研究

摘要

微电子工业从发展之初到现在,一直都在按照摩尔定律预言的轨迹发展着。但是,随着关键尺寸越来越细,器件也越来越小,微电子工业面临越来越大的挑战。世界各国的研究人员都在寻求各种方法突破这一难题。随着各种技术的发展,一种新型技术,即碳基微电子技术(电极材料和半导体都采用含碳化合物)逐渐浮出水面并有望成为下一代电子技术的核心,受到人们的广泛关注。其中石墨烯是近几年新兴的材料,具有超薄、迁移率高、严格而简单的二维结构、超强的机械性能以及热化学稳定性等优点,在下一代超大规模集成电路方面具有潜在的应用前景。
　　 目前,制备石墨烯有多种方法,包括机械剥离法、单层氧化石墨还原法、外延生长法和气相生长法。不过这些方法都无法满足实际应用的需要,也没有充分利用石墨烯的特点。考虑到石墨烯良好的导电能力、超薄的厚度以及与有机半导体良好的兼容性,石墨烯非常适合作为有机半导体器件的电极材料。目前的有机半导体微纳器件多采用顶电极结构,即先预置有机维纳晶体,然后在晶体上沉积电极,完成器件制备。由于脆弱的有机晶体不能采用光刻等传统微加工工艺,顶电极多通过掩膜板真空蒸发电极来完成。电极制备过程中的热辐射会对有机晶体器件性能造成一定的影响。另一种是底电极结构,底电极器件是预先在衬底上制备好电极,然后放置晶体。由于没有有机晶体的限制,电极结构可以采用光刻等微加工工艺制备。但是底电极结构的缺点是电极的厚度通常大于15纳米,电极与绝缘层间形成的台阶会影响有机微纳晶体与绝缘层的贴合,导致器件性能的降低,甚至会使器件失去性能。
　　 单层石墨烯的厚度极薄,仅0.4纳米,同时还具有极高的迁移率、良好的一致性、卓越的热和化学稳定性。如果用单层石墨烯作为有机微纳器件的底电极,就可以解决传统金属电极过厚的问题,将底电极台阶造成的影响减小到最小,同时能够与有机半导体形成良好的能级匹配。
　　 本文介绍了石墨烯基本的制备和表征方法,并发展了一种简单、高效、方便的石墨烯间隙对的制备方法。基于单层石墨烯电极的有机晶体管表现出良好的场效应晶体管性能,迁移率和开关比分别可达0.053 cm2/Vs和105。虽然有机沟道的制备过程未经优化,但是基于石墨烯电极的有机晶体管性能仍优于相同结构、采用传统贵金属电极的该类型晶体管的最好性能。研究结果表明,单层石墨烯可作为良好的电极材料,并有望成为一种通用的技术以制备高性能有机/无机微纳单晶器件和薄膜器件。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 场效应晶体管简介

1.1.1 场效应晶体管基本原理和结构

1.1.2 场效应晶体管基本性能参数

1.2 石墨烯的结构、性质和应用

1.2.1 石墨烯的结构

1.2.2 石墨烯的性质

1.2.3 石墨烯在微电子领域的应用

1.3 石墨烯的制备和表征

1.3.1 石墨烯的制备

1.3.2 石墨烯的表征

1.3.3 小结

1.4 石墨烯电极对的制备方法

1.4.1 电子束曝光

1.4.2 AFM针尖裁剪法

1.4.3 聚合物单分子层掩膜法

1.5 本文选题依据及主要研究内容

1.5.1 论文选题的目的和意义

1.5.2 本文主要的研究内容

第2章 石墨烯电学性能的研究

2.1 石墨烯晶体管的制备

2.1.1 紫外光刻制备源漏电极

2.1.2 金丝掩膜法制备源漏电极

2.2 石墨烯电学性能测试与分析

2.3 小结

第3章 基于石墨烯电极的场效应晶体管的制备及性能研究

3.1 石墨烯电极对的制备方法

3.1.1 碳纤维和金丝交替掩膜法

3.2 基于石墨烯电极的场效应晶体管的性能

3.2.1 基于石墨烯电极场效应晶体管导电沟道的制备

3.2.2 器件的输出特性及转移特性

3.3 小结

第4章 石墨烯纳米间隙电极对的制备研究

4.1 石墨烯纳米间隙电极对在分子器件中的应用

4.2 纳米线掩膜法制备石墨烯纳米间隙电极对

4.3 AFM针尖裁剪法制备石墨烯纳米间隙电极对

4.4 小结

结论与展望

参考文献

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)

致谢