二维半导体和铁电栅控场效应晶体管的第一性原理研究

作     者：王辰 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阚二军;胡婷

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：第一性原理 电子特性 二维半导体 纳米级铁电场效应晶体管 绝缘体-金属转变 高开/关比 

摘      要：随着二维材料石墨烯的发现,其独特的电子性质和广阔的应用前景引起了广大研究者们对它及其他二维材料的研究兴趣,二维材料家族也日渐壮大。本文将根据密度泛函理论,通过第一性原理理论预测一种新的具有高载流子迁移率和光吸收的二维半导体材料,并且提出具有高开关比的铁电栅控场效应晶体管。本文主要分为三个部分,第一部分即第一章,简单介绍了二维半导体材料和铁电材料的发展,性质,制备和应用;第二部分为第二章,介绍了量子力学理论,密度泛函理论,交换关联泛函以及使用的软件包;第三部分包括第三章和第四章,是本文主要的理论计算。第三章是对二维SnP的理论研究。尽管体块SnP早在1972年被实验合成,但是其二维结构的电子和光学性质至今还未被研究。本文基于第一性原理计算,预测了二维SnP层作为新型半导体材料,具有0.71 eV(单层)和1.03 eV(双层)的间接带隙,这与体结构的金属特性不同。值得注意的是,2D SnP具有9.171×10 cmVs的高空穴迁移率和对于整个可见光谱的高光吸收(0 cm),这预示2D SnP层有望成为纳米电子学和光电子学的候选材料。有趣的是,我们发现2D SnP双层具有与硅类似的电子和光学特性。考虑到硅基微电子和光伏技术的巨大成功,我们的研究结果将有助于纳米尺度的相关研究。第四章理论研究了一种新的二维范德瓦尔斯异质结构铁电栅控场效应晶体管(VDWh-FET)。传统的块状铁电体已被用于构建场效应晶体管器件,并且插入的隧道材料的势垒高度通过铁电极化的反向被调制。尽管已经提出了许多方案来改善这些FET器件的性能,但是由于势垒高度的调制是有限的,因此仍然不满足它们的开/关比。在这里,我们提出了一种基于范德瓦尔斯异质结构的高开/关比FET,其中层状铁电体作为栅极衬底。使用典型的双层材料(石墨烯)作为隧道层,我们发现反转顶部铁电体的极化实现插入双层的绝缘体-金属转变,导致隧道势垒的开放和闭合,这与传统的FET器件完全不同。由于绝缘体-金属转变伴随着电导率的巨大变化,因此高开/关比自然适用于器件中的实际应用。此外,我们的第一性原理计算和紧束缚模型分析表明,这种现象与铁电门的堆叠顺序无关。因此,探索的结果为将来在厚度低至纳米级的电子器件中提供2D FET的光明前景。