单层二硫化钼背栅场效应晶体管的电学及光电特性研究

摘要

过去半个世纪以来，以硅基半导体材料为基础的大规模集成电路技术得到了飞速发展，随着单位面积上半导体器件密度的不断增加，半导体器件正逐渐接近其尺寸的理论极限，“后摩尔时代”即将到来。二维材料以其优越的理化性能、高载流子迁移率及能带可调等特点，成为最有可能在微电子和光电子等领域引发革命的材料之一。二硫化钼薄膜是典型的二维层状结构材料，单层二硫化钼具有直接带隙，多层二硫化钼具有间接带隙，有望成为硅基半导体的替代材料。此外，基于二硫化钼的各种性能优异的光电传感器、气体传感器及柔性器件在现代医疗、环境、机械及农业等方面都有较大的应用价值。
　　在国家自然基金（No.51675246）的资助下，采用一种新的方法制备了基于二硫化钼的悬置场效应晶体管，并与传统的非悬置器件作对比。单层二硫化钼薄膜样品是采用化学气相沉积（CVD）法制备，将单层二硫化钼薄膜转移到预先图形化处理的带电极衬底上，构成悬置和非悬置的单层二硫化钼场效应晶体管。光学显微镜用来直接观察样品与电极接触情况，拉曼（Raman）光谱用来表征样品层数及质量，原子力显微镜（AFM）用来表征样品表面质量及厚度。
　　对悬置和非悬置场效应晶体管输出特性曲线和转移特性曲线分析发现，室温下悬置器件的载流子迁移率比非悬置器件有4倍的提升，随着温度升高悬置器件的载流子迁移率升高幅度远大于非悬置器件的升高幅度。这主要是因为低温时带电杂质产生的库伦散射是限制其载流子迁移率的主要因素，温度升高时器件载流子迁移率主要被表面声子散射限制。
　　器件的转移特性曲线出现较大的磁滞现象，给器件性能带来较大的不稳定。室温条件下悬置器件的磁滞现象强度小于非悬置器件的强度，随着温度的升高两器件中的磁滞现象强度都出现不同程度的增大。这主要是由于器件上吸附的杂质中的电子转移到沟道材料中充当电荷载流子，导致磁滞现象的发生，高温条件下电子通过接触面间肖特基势垒的几率大大增加，导致磁滞现象的增强。
　　在测试器件电学性能过程中发现悬置器件由于栅氧化层较薄，器件会出现击穿现象。这主要是因为硅氧键的键能较弱，在高电场作用下硅氧键断裂导致缺陷在界面集聚，当大量缺陷形成的渗透通道在热损伤作用下形成稳定的传输通道时器件被击穿。二硫化钼场效应晶体管理论性能的研究对基于二硫化钼薄膜的性能优异的晶体管及传感器的实际应用具有较大的促进作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 二硫化钼的性质

1.3 二硫化钼的应用

1.4 二硫化钼的制备方法

1.5 基于二硫化钼的场效应晶体管国内外研究现状

1.6 本论文研究内容

第二章 样品的制备与表征

2.1 图形化衬底的制备

2.2 二硫化钼薄膜的制备及转移

2.3.二硫化钼薄膜的表征

2.4 本章小结

第三章 衬底及温度对二硫化钼场效应晶体管电学性能影响

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 二硫化钼场效应晶体管击穿特性研究

4.1 二硫化钼场效应晶体管的击穿原理

4.2 二硫化钼场效应晶体管击穿后的电学特性分析

4.3 本章小结

第五章 基于二硫化钼的光敏传感器光敏特性研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的成果