基于MoS2的1D/2D结型场效应晶体管的构筑和性能研究

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二维过渡金属硫属化合物(TMDs)作为二维层状材料家族的重要成员,由于其独特的物理化学特性受到了广泛的研究关注。其中,二硫化钼(MoS2)由于拥有适宜的带隙宽度(1.2-1.8 eV)、相对较好的化学稳定性和优异的光学电学性能成为了研究的热点。超薄的二维结构和相对较高的室温载流子迁移率使MoS2成为构建场效应晶体管(FET)等微电子器件的理想半导体材料。目前大多数MoS2基FET构筑都采用传统基于金属-氧化物-半导体(MOS)的背栅或顶栅结构。但单纯利用导电硅衬底施加栅极电压的背栅结构无法完成硅衬底上的单个微纳器件的独立操控,而顶栅结构会在栅极的介电层沉积工艺中对MoS2沟道产生损伤,影响沟道的电输运性能。本文利用p型纳米线材料和n型的MoS2构筑了1D/2D异质结。并基于搭建好的异质结设计制作了结型场效应晶体管(JFET)器件以期在传统MOS结构外探寻构筑MoS2基FET的其他解决方案。本文的具体研究内容如下:利用机械剥离的MoS2纳米片和氧化合成的CuO纳米线构筑1D/2D异质结,并利用异质结构筑JFET。在这一结构中MoS2作为沟道材料而CuO纳米线作为栅极。本文对比了将纳米线置于沟道上方和置于沟道下方两种构型对器件性能的影响。证实了将纳米线置于沟道下方采用MoS2“半包裹”的栅极构型可以有效提升栅极的操控性能。为了提高器件电流密度,同时采用背栅对MoS2沟道进行调控,即进行双栅构型的设计。并创新性的在纳米线下通过自对准刻蚀的方式引入石墨烯纳米带以稳定CuO纳米线栅极的电势,使双栅间的互相影响有效降低。探寻了器件在光探测器和逻辑电路设计中的应用。在以上工作的基础上,针对CuO纳米线表面有悬挂键会增加栅极界面的电荷散射和界面陷阱密度的问题,本文尝试引入拥有特殊一维链状结构的Sb2Se3纳米线替代CuO纳米线。测试结果显示这一设计确实可以有效的降低JFET的栅极电压正反扫描回滞。在此基础上我们同样探寻了Sb2Se3/MoS2-1D/2D结型场效应晶体管应用于逻辑电路构筑的可能性。
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