基于BP/InGaZnO异质结的隧穿晶体管与结型晶体管的研究

摘要

现代移动设备与物联网技术发展迅猛，为了制造高分辨率、低功耗、轻薄及低成本的显示器件，金属绝缘半导体场效应晶体管正处于尺寸不断缩放，性能不断提升的过程。然而，在优化晶体管性能的时候却受到电源电压不合理缩放以及复杂的介电工程的限制。在这里，为了能够继续进一步缩放晶体管尺寸及提升其性能，我们设计并制造了基于垂直堆砌的黑磷(BP)/铟镓锌氧(InGaZnO)范德华异质结的隧穿场效应晶体管(TFET)和结型场效应晶体管(JFET)。通过改变BP的厚度，BP/InGaZnO异质结可分别切换为正向整流二极管、齐纳二极管和反向整流二极管。在厚-BP/InGaZnO异质结中，可获得室温下波峰比为2.13、隧穿电流密度为160mA/mm2的负微分电阻现象。在此基础上，实现了亚阈值摆幅(SS)达到11mV/dec的InGaZnOTFET。此外，基于薄-BP/InGaZnO异质结构成的InGaZnOJFET表现出良好的晶体管性能，其开/关比超过105，迁移率为23.5cm2/V·s，SS为83mV/dec以及几乎可以忽略的电学回滞。BP/InGaZnO异质结可能是迄今为止实现非晶金属氧化物半导体TFET和JFET的唯一器件结构，这为进一步的薄膜晶体管技术提供了十分有前景的途径。本论文的主要研究内容如下：　　首先，我们通过第一性计算原理研究BP与InGaZnO的能带，初步判断电子在异质结中隧穿的几率。同时，研究BP与InGaZnO的晶体管电学特性以及表征两种材料和异质结的特性。为判断电子在BP/InGaZnO异质结隧穿的可能性，我们分别研究了不同厚度下的BP与InGaZnO的垂直异质结二极管特性。从分析结果中，发现了厚-BP/InGaZnO异质结存在电子隧穿现象。　　其次，我们在将厚BP与InGaZnO组成的异质结应用于TFET的研究中，成功从研发的器件中观察到负微分电阻现象，以及突破了热离子激发的限制，SS达到了11mV/dec。　　最后，我们将薄BP与InGaZnO的异质结应用到JFET中。从研发结果中得知，基于薄-BP/InGaZnO异质结的JFET拥有良好的晶体管性能。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 MISFET

1.2.1 MISFET 的发展背景

1.2.2 MISFET 的工作原理

1.2.3 MISFET 的电学特性

1.3 黑磷

1.3.1 二维材料

1.3.2 BP 的结构与性质

1.4 氧化物半导体材料

1.4.1 金属氧化物的材料特性

1.4.2 InGaZnO 的结构

1.4.3 金属氧化物半导体材料中的载流子传输机制

1.5 本论文的研究意义及相关内容

1.6 本论文的结构安排

第 2 章 器件的制备及表征

2.1引言

2.2 机械剥离法

2.3 电子束曝光

2.3.1电子束抗蚀剂

2.3.2影响抗蚀剂图形质量的重要参数

2.4 磁控溅射

2.5 真空热蒸发

2.6 原子层沉积

2.7原子力显微镜

2.7拉曼光谱分析仪

2.8 二维材料的转移方法

2.9本章小结

第 3 章 垂直堆砌的 BP/InGaZnO 异质结二极管

3.1 范德华异质结

3.1.1 pn 结

3.1.2异质结的能带对齐方式

3.2 BP/InGaZnO 异质结的第一性原理计算

3.2.1密度泛函理论计算BP的能级

3.2.2 BP/InGaZnO 异质结能带

3.3 BP 与 InGaZnO 场效应晶体管

3.4 BP/InGaZnO 异质结的设计与表征

3.5垂直堆砌的BP/InGaZnO异质结二极管

3.5.1器件制作流程

3.5.2 垂直结构相比于侧面结构的优势

3.5.3 垂直二极管的电学表征

3.6垂直异质结的工作机制

3.6.1正向电压下的pn结及其能带图

3.6.2 负向电压下的 pn 结及其能带图

3.7 本章小节

第 4 章 基于 BP/InGaZnO 异质结的隧穿晶体管

4.1 隧穿晶体管的研发背景

4.2隧穿晶体管及其工作机理

4.3 TFET 的研究进展

4.3.1材料选取

4.3.2结构设计

4.4 TFET 面临的挑战

4.5 TFET 器件的设计

4.5.1 BP/InGaZnO 异质结 TFET 的制作

4.5.2 TFET 的输出特性曲线

4.5.3负微分电阻

4.5.4 TFET 的转移曲线

4.6 本章小节

第 5 章 基于 BP/InGaZnO 异质结的结型晶体管

5.1结型晶体管的研究意义

5.2 JFET 的工作原理

5.3 InGaZnO JFET 和 InGaZnO MISFET 的设计与制作

5.4 InGaZnO JFET 与 InGaZnO MISFET 的电学性能分析

5.4.1 InGaZnO MISFET 的电学性能分析

5.4.2 InGaZnO JFET 的电学性能分析

5.4.3 InGaZnO 迁移率及载流子浓度的计算

5.5基于JFET的外部负载反相器

5.6本章小结

结论

参考文献

致 谢

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