论文部分内容阅读
过渡金属二硫族化合物(TMDs)极具魅力的二维层状结构和区别于块体材料的物理性质,激起了人们浓厚的兴趣研究它们在超大规模电子学和光电子学领域的发展。过渡金属二硫族化合物的二维结构具有优秀的静电可控性,并且可以避免短沟道效应。这些特性使TMDs在未来有望成为10 nm以内互补金属氧化物半导体(CMOS)元件的候选材料。在过渡金属元素是钼或钨的单层TMDs中,单层二碲化钼(MoTe2)具有最狭窄的直接带隙(约1.1 eV),这一独特性质使单层MoTe2成为新型近红外电子和光电子领域中最具潜力的研究材料,引起广泛的关注。实现层状控制的二维横向生长模式是制备大面积、厚度均匀和性质可控的MoTe2薄膜的关键所在,然而到目前为止还未曾实现。本文运用分子束外延技术,在惰性Si02介电层上逐层生长出2英寸晶圆大小的连续单层2H-MoTe2薄膜,提出了一种单步Mo流量控制薄膜成核和生长策略以抑制岛状生长。这一过程只能在较低沉积速率下进行,因为低沉积速率能确保吸附原子在团聚成较大团簇物之前,使其通过表面迁移和相互扩散形成各向同性结构。在惰性2英寸Si02/Si晶圆上,已成功生长出100%覆盖率、原子级平坦的单层2H-MoTe2薄膜,并表现出均匀的面内结构连续性和优秀的声子限制载流子输运行为。这种动力学控制生长的方法已经得到推广:在原子层沉积的A1203电介质上,同样制备出了大面积连续的单层2H-MoTe2薄膜。我们还通过控制生长温度来实现MoTe2从2H相到1T’相的转变,大量表征结果证实了 2H-MoTe2和1T’-MoTe2薄膜大面积、高质量的特性。随着在器件兼容电介质上生长出晶圆尺寸、连续单层MoTe2薄膜的技术突破,我们成功实现了高迁移率单层MoTe2薄膜晶体管(TFT)的批量制造和应用于立体电路的垂直堆叠单层MoTe2 TFT的三级阵列集成。其中制备的钛电极接触单层MoTe2 TFT表现出P型输运特性,开关电流比高达107,空穴迁移率为23.4cm2V-1s-1。在第一层TFT阵列基础上进行立体堆叠制备的过程中,并未出现电学性能衰退的现象,三层垂直堆叠MoTe2 TFT器件都表现出强的栅极调控能力。其中第二层和第三层TFT器件的迁移率和开关电流比均得到了提升。以上工作为在通用基板上可扩展合成单层MoTe2薄膜提供了新的见解,并为电子元器件的最终小型化铺平了道路。