CNT-FET的辐射效应及损伤机理研究

作     者：李梦达 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张静;朱慧平

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 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] 

主      题：CNT-FET 位移损伤 总剂量效应 复合应力场 

摘      要：碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）其独特的一维电学输运决定了其优异的电学性能。碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）不仅具有高速、低功耗、低噪声等优点,而且还具有超强的抗辐射能力。空间卫星中的电子元器件需要面临来自银河宇宙中的辐射。但CNT-FET的辐射损伤机理研究不足、器件一致性差、缺少低能质子的辐射响应和辐射过程中表面吸附物的影响不确定等问题均尚未解决。本文基于CNT网络薄膜材料设计并制备了CNT-FET背栅器件和CNT-FET顶栅器件,分别利用质子和电子辐照实验探究了CNT-FET背栅器件的位移损伤退化机制和总剂量损伤退化机制。此外,还研究了复合应力场下CNT-FET顶栅器件的电学响应。主要研究内容及成果如下:首先,使用能量为150 ke V的低能质子对CNT-FET背栅器件的抗质子辐射能力进行了深入研究。当质子注量累积到5×10 p/cm时,器件的阈值电压、开态电流和有效回滞窗口宽度变化很小,表明CNT材料和CNT-FET背栅器件对低能质子辐照具有较强的抗辐射能力。但将注量增加到5×10 p/cm时,由总剂量效应引入的氧化层固定电荷和位移损伤引入的缺陷、界面态的数量都开始显著增加,从而导致器件性能显著退化。其次,使用能量为3 Me V的电子对CNT-FET背栅器件的抗总剂量辐射能力进行了深入研究。电子辐照后,发现的器件性能改善,不仅观察到器件电学性能的一致性提高,还发现开态电流、迁移率、亚阈值摆幅和沟道电阻等参数均有不同程度的优化。这些器件性能的改善与CNT表面-OHs的分解、碳纳米管中缺陷的引入以及碳纳米管结处接触的改善有关。最后,在室温下探究了CNT-FET顶栅器件辐照过程中的最劣偏置条件,随后在80℃下,使器件处于最劣偏置状态下进行X射线辐射,探究复合应力场下温度、电压及辐射应力的协和效应。80℃下器件的退化程度远小于室温,这是由于高温下辐照引入的氧化层俘获电荷在热应力的作用下重新被释放造成的。