晶圆级MoS2及其阵列器件的可控制备研究

摘要

半导体芯片制造业以不断缩小特征尺寸，实现高密度集成为动力蓬勃发展，仍逃不过物理极限的约束。二硫化钼（MoS2）作为研究最为广泛二维材料中的一员，单层具有原子级别厚度和超高的载流子迁移率、有限的禁带宽度，在晶体管中可用作沟道材料，降低短沟道效应带来的影响，适应不断缩小的特征尺寸。然而实现MoS2广泛应用必须解决晶圆级可控制备问题。 本文采用两步法实现面积、厚度可控晶圆级MoS2的制备并构建阵列器件，具体研究内容如下： 1、通过两步法实现晶圆级MoS2的可控制备：采用离子束溅射方法沉积可控厚度的钼膜；设计程序可控升温硫化工艺，促进MoS2层状结构水平生长，通过Raman光谱及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析表明薄膜具有较高的一致性；原子力显微镜（AFM）测试表明基于不同厚度Mo膜可得到3-10层晶圆级MoS2薄膜，实现层数可控制备。 2、以晶圆级MoS2纳米薄膜为基础，重掺硅作为底栅极实现背栅晶体管器件阵列的制备；研究了不同厚度MoS2晶体管电学性能的差异。通过对器件阵列的电学测试发现随层数增加，沟道电阻减小，迁移率增加，其中10层MoS2晶体管平均迁移率为0.96cm2V-1s-1；并且器件性能具有较高的一致性和可靠性，阵列器件良率可达~98%。此外本文针对晶体管所表现出来的p型传输极性进行分析，XPS测试结果表明钼元素与硫元素的含量对MoS2晶体结构及能带结构有一定影响，进而导致其p型传输特性；由于缺陷存在增强晶体管栅控效应，使得沟道电流增加，光照测试MoS2晶体管的光检测度达到72A/W。

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