背栅黑磷场效应晶体管的制备及电学特性研究

摘要

黑磷作为二维材料家族中一名新的成员，在电子器件领域具有石墨烯和过渡金属硫化物（TMDCs）所不具备的特性，如：可协调的带隙（0.3-2.0 eV）、高的载流子迁移率（1000 cm2V-1s-1）以及可观的开关比（105）。基于这些特性，利用黑磷制备的场效应晶体管器件具有优越的电学性能。然而，由于这种材料问世不久，在黑磷场效应晶体管的实际应用中仍然有一些未知领域需要进一步探索，如黑磷场效应晶体管的调控问题、作为晶体管器件在电路中的可靠性问题等。本文介绍了黑磷场效应晶体管的声子散射和电学特性，讨论内应力对黑磷场效应晶体管性能的影响，探究黑磷场效应晶体管的击穿行为以及在大气环境下的稳定性。
　　本研究主要内容包括：⑴黑磷薄膜的样品制备采用的是机械剥离法，衬底的制备基于反应离子刻蚀（RIE）技术，在衬底上预先制备好 TiW/Au电极，最后将黑磷薄膜转移到衬底上完成晶体管的制备。此方法避免了在黑磷薄膜上沉积电极过程中引入的污染，可以确保黑磷的最佳性能。⑵利用拉曼光谱仪和半自动探针台对基于上述方法制备的300 nm栅介质的黑磷场效应晶体管进行了测试，黑磷的Ag1、B2g和Ag2三个拉曼特征峰明显，没有其他明显的缺陷峰，表明黑磷结构完整，具有最原始的特性。电学测试结果显示晶体管的输出曲线呈现线性关系，栅压可以有效地协调输出特性；晶体管的转移特性表明，黑磷场效应晶体管中为空穴作为主要载流子的双极性特性，主要表现为p型特性。⑵RIE技术在SiO2/Si衬底上加工出的方孔可以对黑磷薄膜进行悬置，此方法有效地向晶体管中引入张应力，拉曼光谱仪显示方孔内部的黑磷薄膜与孔外部分相比Ag1、B2g和Ag2峰都发生了不同程度的红移，Ag1峰对张应力最为敏感。随后测试了该器件的电学特性，内应力对输出特性影响不大；由晶体管的转移特性计算的到载流子迁移率达到347.5 cm2V-1s-1，张应力可以在一定程度上提高晶体管的载流子迁移率。⑷悬置的方法可以有效地协调黑磷场效应晶体管的性能，但薄的栅介质容易使晶体管发生击穿。当晶体管被击穿后，电学特性发生了质变，器件不具有晶体管的特性，行成了类肖特基二极管。器件的输出特性在不同栅压下呈相互平行的直线，出现了漏电现象，转移特性显示器件为单向导通状态。分别对同一个黑磷场效应晶体管在制备时和在空气中暴露一个月后的性能进行了测试，利用光镜可以观察到在黑磷表面形成“水滴”状物质，黑磷厚度变薄。在空气中暴露后黑磷的三个拉曼特征峰都发生了蓝移。晶体管的电阻变大，开关比和载流子迁移率均变小。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 黑磷薄膜的结构和制备

1.3 黑磷的机械性能和物理性能

1.4 黑磷的应用

1.5 国内外相关课题研究现状

1.6 本论文的研究目的及主要内容

第二章 黑磷场效应晶体管的制备

2.1 图形化衬底的制备

2.2 黑磷薄膜的制备及转移

2.3 本章小结

第三章 黑磷场效应晶体管声子散射和电学特性

3.1 黑磷的声子散射

3.2 黑磷场效应晶体管的电学原理及特性

3.3 本章小结

第四章 应力对黑磷场效应晶体管声子散射和电学特性的影响研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3黑磷场效应晶体管的表征

4.4 应力对黑磷场效应晶体管声子散射的影响

4.5 应力对黑磷场效应晶体管电学性能的影响

4.6 本章小结

第五章 黑磷场效应晶体管的稳定性研究

5.1 引言

5.2 黑磷场效应晶体管的击穿行为

5.3 黑磷场效应晶体管在大气环境下的稳定性研究

5.4 本章小结

第六章 总结与创新点

6.1 总结

6.2 本论文的创新之处

参考文献

致谢

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