二维氧化锡的制备及其场效应晶体管性能研究

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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。二维材料的超薄结构使其具有不同于体相材料的电子结构,并引发量子尺寸效应等物理现象,且具有形态灵活可调、可高度集成等优点,使其在新一代电子、光电子以及柔性器件中具有非常诱人的应用前景。近年来,由于苛刻的制备条件和缺乏合适的p型材料,导致p型半导体性能无法与n型半导体匹配,难以实现器件高效低耗化,开发高性能p型半导体有望推动透明电子器件实质性的发展。基于锡基化合物的晶体管因具有高场效应迁移速率和高透明度等特点,受到了研究人员的广泛关注。其中,SnO作为一种层状金属氧化物,因具有较低的锡空位形成能和更为分散的价带顶,因此被广泛地应用于p型薄膜晶体管的开发。但由于制备方法受限,相关报道多集中于多晶乃至非晶SnO薄膜,存在较多的晶界,导致极差的晶体管性能。二维SnO集二维材料和锡基化合物的特点于一体,具有非常诱人的应用前景。然而目前鲜有二维SnO研究,因此亟需开发一种高纯相单晶的二维SnO以填补该研究领域的空白,并有望推动高性能p型场效应晶体管的发展。本文采用自上而下的SnO单晶纳米片的合成方法,从块状前驱体合成入手,采用传统的机械剥离法,由块状前驱体剥离出SnO单晶纳米片。由于机械剥离法不涉及化学反应,能最大限度地保护材料结构,不仅有利于后续相关表征,更方便了器件性能测试。基于高纯相单晶的二维SnO的场效应管表现为p型传导,同时载流子迁移速率提升至12 cm2 V-1 s-1,开关比为103,远超于已报道的研究。并且与部分商业化n型半导体(铟镓锌氧化物、铟锌氧化物等)能够匹配,有望制备出透明互补金属氧化物半导体器件,推动透明电子器件的发展。其详细研究步骤如下:(1)SnO前驱体合成以二水合锡氯化锡(SnCl2·H2O)为锡源,氢氧化钠为碱源,采用一步溶剂热法,调节反应时间、反应温度、pH浓度等条件,通过SEM、XRD等表征得到了合成(横向500 μm,厚度10μm)层状前驱体的最佳反应条件(反应时间为15h,反应温度为150℃,溶液pH为12-14)。通过EDS和XPS对最优的前驱体进行表征,证明得到了高纯相的SnO层状前驱体。通过TG和不同温度下的XRD等表征说明SnO层状前驱体在400℃逐步转变为SnO2,具有极好的稳定性。(2)机械剥离制备SnO纳米片及其表征基于不同合成条件制备的前驱体,采用传统的机械剥离方法,尝试制备SnO单晶纳米片,并进行了相应的表征。首先,在不同大小的前驱体剥离实验中发现越大尺寸的前驱体越容易获得薄层纳米片。通过AFM表征发现最薄的SnO厚度仅为0.6 nm,接近理论单层原子结构,但是横向尺寸不足2μm,难以用于器件组装。通过TEM以及HRTEM表征,证明机械剥离所得纳米片对应与SnO晶体结构中的(001)面,属于四方晶系。通过原位热台AFM以及温度依赖拉曼等表征,证明SnO纳米片中的Sn在300℃仍然保持正二价,SnO结构未被破坏,具有极好的稳定性。厚度依赖拉曼揭示了随着厚度减薄SnO层间耦合作用迅速降低,同时厚度依赖的紫外吸收表明随着厚度的降低SnO带隙从原始体块的0.75 eV增大至3.6 eV,同时单层SnO纳米片的可见光透过率高达95%。(3)SnO在场效应晶体管的性能研究选用Si/SiO2衬底,将机械剥离所得不同厚度SnO纳米片通过电子束光刻工艺上制备了基于不同厚度SnO纳米片的场效应晶体管。通过相应的电学测试,机械剥离制备的SnO表现为p型半导体,同时随着厚度的降低,器件的调制性能逐步提升,当厚度降低至10 nm时,SnO单晶纳米片在室温环境下的场效应迁移率为12cm2 V-1 s-1。由于工艺的问题器件最薄仅能做到10nm,根据器件的变化趋势,当厚度进一步减薄时有望获得更高的载流子迁移率和开关比。
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