背栅二硫化钼场效应晶体管的制备及其电学特性研究

摘要

二硫化钼（Molybdenum Disulphide，MoS2）薄膜是优异的低维纳米材料，具有1.3~1.8 eV的可调带隙。利用MoS2作为沟道材料制备的场效应晶体管具有较高的载流子迁移率和极高的开关比（>107），有望替代传统硅材料场效应晶体管。目前，二维沟道材料的场效应晶体管制备中多采用电子束光刻技术，沟道与电极界面间的光刻胶残留会影响器件的电学特性。本文详细研究了探针转移电极法制备背栅MoS2场效应晶体管的过程，探讨了探针转移电极法制备器件的可行性以及退火对其接触性能的影响，并揭示了低温氧等离子体处理对MoS2场效应晶体管电学特性的协调机制。 MoS2样品采取机械剥离和化学气相沉积生长所得。在高倍率显微镜下利用金属探针将预制好的Au电极转移至MoS2样品表面，实现了场效应晶体管的制备。使用拉曼光谱（Raman Spectrum）的E21g和A1g特征峰表征本文样品的层数和质量，并结合应用原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）主要用来表征样品的厚度与形貌。 采用半自动探针台对探针转移电极法制备的背栅MoS2场效应晶体管进行电学测试。电学测试显示退火后的晶体管接触性能良好，输出特性曲线呈现线性关系且栅极电压可以对输出特性实现有效的协调。器件的转移曲线表现为N型特性。通过计算证明，探针转移电极法制备的机械剥离单层MoS2器件电学性能较好，因此探针转移电极法可以有效地制备MoS2场效应晶体管。 在未退火时，探针转移电极法制备的MoS2场效应晶体管接触较差，输出特性曲线呈现非线性，存在较大的隧穿势垒。N2氛围下200℃退火30分钟可以有效提升器件的电学性能。根据热膨胀理论进行分析表明：退火及冷却过程使得Au电极与MoS2之间的吸附形态发生变化，从而使界面的范德瓦尔斯间距得以改善。 利用低温氧等离子体对基于化学气相沉积制备的MoS2晶体管器件进行处理。实验结果表明：在低功率氧等离子体的作用下，器件的电学性能得到了明显的改善。氧等离子体有效地修饰了硫原子空位缺陷，改善了MoS2场效应晶体管的短程散射机制。高功率下处理后的器件电学性能开始下降直至失去半导体特性。高能态氧等离子体与MoS2样品发生碰撞，MoS2中缺陷大量增加。Raman散射光谱与X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscope，XPS）测试显示，MoS2中出现了高价态的MoO3区域且结构遭到破坏。 采取AFM中SKPM模块和扫描微波显微镜（Scanning Microwave Microscope， SMM）对处理后的MoS2单晶进行表面电势差和电容信号分析，发现MoS2三角形单晶边界与内部的电势差与电容mapping信号分布并不均匀。结合AFM形貌图中样品边界处存在大量吸附物这一特性，可推测边界处的MoS2更容易与氧等离子体发生作用。

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摘要

Abstract

绪论

引言

MoS2的结构与性质

MoS2的制备

MoS2的应用

国内外相关课题研究现状

本论文研究内容

背栅MoS2场效应晶体管的制备与表征

MoS2场效应晶体管的制备

MoS2场效应晶体管的表征

本章小结

背栅单层MoS2场效应晶体管的电学特性

引言

实验

结果与讨论

本章小结

低温氧等离子体处理对MoS2场效应晶体管电学特性的影响

引言

低温氧等离子体处理技术

实验

结果与分析

本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果