高性能二硫化锡场效应晶体管构筑及其光电性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jgc5961224
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场效应晶体管是微电子与半导体工业中最基本、最重要的电子器件之一,其结构、性能、尺寸对电子元件的设计、集成、能耗等方面具有重要影响。近年来,基于新型二维半导体材料的场效应晶体管因其小尺寸、高性能、低能耗等特点受到研究人员的广泛关注,二维半导体材料因其独特的层状结构与电子输运性质被认为是延续摩尔定律的理想材料。二硫化锡二维半导体材料因其禁带宽度(2.3 eV)与可见光波长范围相匹配,具有较好的光吸收和光催化特性,目前在太阳能电池与电催化等领域得到了充分的研究与运用,但其在电子与光电器件领域(如场效应晶体管、光电探测器)的研究甚少。鉴于此,本文以二硫化锡为研究对象,从场效应晶体管的电学和光电性能影响因素入手,基于金属-半导体接触理论、介电层机理与结构设计、材料表面修饰三方面展开系统研究,最终获得了高性能二硫化锡场效应晶体管设计方法与构筑工艺技术。考虑到二维半导体材料场效应晶体管的特点,理论分析了组成器件的各要素对器件性能的影响规律,确立了金属电极接触、介电层性质与结构、材料修饰与掺杂三个影响因素为研究重点。通过光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、透射电子显微镜等表征手段,分析了二硫化锡材料的微观结构特点与能带结构信息,为后续实验研究提供理论支撑。系统研究了二硫化锡场效应晶体管的构筑工艺,利用干法转移技术、激光直写光刻工艺技术和金属镀膜工艺构筑了场效应晶体管器件;基于金属-半导体接触理论,设计电极接触实验并对比研究了不同功函数金属电极接触对器件电学和光电性能的影响,优选出金属银作为后续器件接触电极材料。进一步,从介电层性质与结构角度设计器件结构,采用六方氮化硼二维材料作为介电层,减少载流子界面散射;设计并构筑了局部沟道调控与全沟道调控两种结构的顶栅场效应晶体管器件,并详细研究了两种不同器件结构对电学性能的影响规律;根据结构对器件电学性能的影响差异,选择合适结构的场效应晶体管进行后续表面修饰研究。采用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)对场效应晶体管进行处理,通过第一性原理计算和霍尔效应测试,揭示了EDTA对二硫化锡表面缺陷修复和电子掺杂协同作用提高器件电学性能的微观机制。将该方法应用于局部沟道调控顶栅场效应晶体管,实现了二硫化锡场效应晶体管电子迁移率(8.77 cm2V-1s-1)与开关电流比(2×107)的协同提升。
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