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作者：冯天旸桂林电子科技大学

学位级别：硕士

过渡金属硫族化合物(TMDs)的半导体原子薄层由于其独特的电子结构和光学性质,使其在场效应晶体管、超薄层光伏器件和超灵敏的光电探测器等领域有广阔的应用前景。二硫化钨(WS)晶体作为一种二维材料,具有TMDs家族所共有的较弱层间范德华... 详细信息

过渡金属硫族化合物(TMDs)的半导体原子薄层由于其独特的电子结构和光学性质,使其在场效应晶体管、超薄层光伏器件和超灵敏的光电探测器等领域有广阔的应用前景。二硫化钨(WS)晶体作为一种二维材料,具有TMDs家族所共有的较弱层间范德华力,可通过机械剥离法制备出单层或多层的纳米薄膜的特点,与其他的TMDs材料相比具有更宽的层数可调带隙(1.3-2.1 e V)、更低的缺陷密度、更小的有效质量。同时WS薄膜超高的表面积比使其表面很容易吸附高极性分子和强电子供体。本论文主要采用机械剥离的方法将多层WS薄膜分别转移到以Si/Si O/氧化铟锡(ITO)/AlO和Si/Si O/ITO/HfO为结构的新型衬底上,制备出具有低功耗、高栅控能力的背栅场效应晶体管,同时对两种类型的晶体管进行表面电子掺杂,并测试分析其性能,测试结果表明表面电子掺杂工艺有效提高了器件的电学性能,为WS晶体在制造大规模集成电路逻辑器件和微型传感器件等方面做了探索性研究工作。本文的主要研究内容包括:1.基于ALD技术的AlO薄膜生长、表征及电学性能的研究。在快速热退火(RTA)处理后的ITO上,使用原子层沉积技术(ALD)生长20 nm的AlO薄膜,并在AlO薄膜上沉积Pt电极。实验中采用预吹扫10 nm前驱体的方法,增加ITO表面的悬挂键,提高AlO薄膜的表面均匀度和绝缘性。经AFM表征结果显示:预吹扫后AlO材料表面更加平整光滑,均方根粗糙度Rq由3.15 nm减小为2.1 nm,漏电流降低了3个数量级。2.基于ALD技术的HfO薄膜生长、表征及电学性能的研究。基于ALD在透明的ITO衬底上沉积10 nm的HfO薄膜,并在HfO薄膜上沉积Pt电极。在550℃温度下对HfO薄膜进行RTA处理,材料表征得到退火后薄膜表面晶粒变大,岛状颗粒减少,Rq值由2.28 nm降为1.5 nm,3V电压下的漏电流密度为3.82×10 A/cm,表明RTA处理有效减少了HfO薄膜的内部缺陷,提高了薄膜的致密性和质量。3.基于AlO衬底的WS背栅晶体管制备、掺杂及电学性能的研究。采用紫外光刻技术和喷金仪沉积金属定位标记,机械剥离法转移多层WS薄膜到AlO衬底上,电子束曝光和磁控溅射技术光刻并沉积20/50 nm的Cr/Au源漏电极。测试结果表明:AlO经前驱体预吹扫后,所制备晶体管的电子迁移率由0.84增大到24.13 cmVs,亚阈值摆幅S由986.84减小为222.22 m V/dec,电流开关比降低了3个量级,器件的栅控能力得到有效提高。进一步采用三乙胺(TEA)对多层WS薄膜进行表面电子掺杂。实验表明:掺杂前后器件的欧姆接触良好,电子迁移率由24.133增长到30.949 cmVs,阈值电压V由-0.7 V增加为-2.3 V。4.基于HfO衬底的WS背栅晶体管制备、掺杂及电学性能的研究。在HfO衬底上制备WS背栅晶体管,并对WS薄膜进行TEA电子掺杂。电学测试显示:退火前后晶体管的迁移率由3.6475增加到10.447 cmVs,亚阈值摆幅由617.28降低为227.27 m V/dec,沟道电流开关比提高了1个量级。表明了以HfO材料为栅介质的晶体管具有更好的栅控能力,同时RTA处理能有效提高HfO薄膜的结晶度,提高器件的电学性能。掺杂后沟道与金属间无明显的肖特基接触,电子迁移率提升到24.89 cmVs,开关比保持在10,亚阈值摆幅降低为190.11mv/dec,证明了三乙胺处理使沟道电子增加,这种表面修饰的方法能有效调控WS的电子传输特性。

关键词：二硫化钨 High-K 三乙胺背栅晶体管电学性能

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氧化石墨烯基场效应晶体管特性研究

氧化石墨烯基场效应晶体管特性研究

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作者：魏红强复旦大学

学位级别：硕士

目前,各种新型移动终端的快速发展对集成电路提出了更高的要求,集成度更高,速度更快,功耗更低成为集成电路设计和制备的重要指标。然而,硅作为目前集成电路的核心材料,其自身物理特性的限制严重制约了集成度和运算速度的进一步提升。单... 详细信息

目前,各种新型移动终端的快速发展对集成电路提出了更高的要求,集成度更高,速度更快,功耗更低成为集成电路设计和制备的重要指标。然而,硅作为目前集成电路的核心材料,其自身物理特性的限制严重制约了集成度和运算速度的进一步提升。单原子层厚的二维碳材料石墨烯,其电子传导速率比一般半导体大的多,利用石墨烯做成的晶体管不仅体积小、成本低廉,而且用于开启和关闭的电压非常低,因而制备得到的石墨烯集成电路灵敏度更高、速度更快、功耗更低。然而,由于石墨烯天然没有禁带,且其电学性质受环境影响退化严重,因而制备禁带宽度可控以及研发新的石墨烯晶体管的制备工艺成为石墨烯应用的前提。本文中提出一种基于纳米探针的纳米光刻技术,利用得到的还原后的石墨烯氧化物(Reduced Grpahene Oxide)作为导电沟道材料,制备出了背栅晶体管,具体内容如下：(1)首先,我们使用石墨粉末和强酸等反应得到氧化石墨烯(GO)的溶液,再通过旋涂(spin-coating)的工艺,分别在覆盖有300nm热氧化层的重掺杂单晶硅衬底和重掺杂裸单晶硅衬底上得到GO的薄膜。在椭偏仪中,使用洛伦兹模型拟合对GO薄膜厚度进行测试,得到实验中所使用的GO约为7层。其次,在cAFM系统中,以纳米探针和高掺硅衬底为上下电极,在接触模式(Contact Mode)下对GO进行还原,发现只有当在衬底上施加足够大的负电压时,GO才会被还原。为了排除GO薄膜导电的现象可能是还原过程中纳米探针对GO的机械损伤导致的漏电,轻敲模式(Tapping Mode)下形貌测试表明还原前后GO薄膜表面并没有明显的区别,即导电是GO自身化学组分变化的结果。对还原前后的GO进行拉曼图谱测试,发现还原使GO晶格中sp2杂化结构增多,羟基、羧基、环氧基等官能团结构减少,表明GO变成了RGO。对于这里GO被还原的机理,我们认为当负电压加在GO上时,在探针和GO表面之间产生一个强的电场,电子从GO内部来到表面,电化学反应产生氢离子,发生GO的电场诱导的化学还原反应。实验中发现,这里GO的电化学还原不仅依赖于偏置电压的极性,也依赖于施加偏压后产生的电场强度。对于实验中我们制备的7层的GO,我们发现电化学还原的阈值电压是-6.5±0.5V,且偏压为-9V时还原得到的电流基本饱和。通过对还原区域电流的横向截取,显示这种以探针来控制还原区域大小和具体位置的纳米光刻技术,对位置有着极其精确的控制能力。由纯化学方法还原得到的不同还原程度的GO具有不同的禁带宽度,我们认为这里不同偏置电压下电化学还原得到的GO的禁带宽度也是不同的,即我们实现了对RGO禁带宽度的控制。最后,利用这种纳米光刻技术,我们制备出了宽为400nm,长为10.5μm的纳米桥结构,并以此为基础利用电子束淀积源、漏金属电极,制备出了以RGO为沟道的背栅晶体管,得到同等情况下优异的载流子传输特性。(2)在实现GO的电化学还原的基础上,我们发现GO还具有阻变存储效应。在本征GO薄膜(高阻状态)的选定区域,先在一定负压偏置下,对GO实现还原,GO变成低阻状态。然后,改变电压极性,对原区域再次进行操作,发现还原效果消失,GO变为高阻状态,然后又再还原以及再氧化,即GO可以实现可逆的阻值变换现象。经过在探针台上测试发现,这里GO的阻变特性开关比极高,阻值保持特性优异,SET和RESET过程明显。GO阻变现象为电化学的还原和氧化过程,其中氢离子和氢氧根离子在其中起到了关键作用。

关键词：石墨烯氧化物导电原子力显微镜纳米光刻技术背栅晶体管随机阻变存储器

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WS_(2)场效应晶体管的表面电子掺杂

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桂林电子科技大学学报 2024年第2期44卷 111-117页

作者：李海鸥冯天旸刘兴鹏桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004

二硫化钨(WS_(2))属于过渡金属硫族化合物(TMDs)材料,具有较宽的可调带隙(1.3~2.1 e V),缺陷密度相对较低,且有超高的表面积比,可通过外界掺杂或相变处理来改善载流子传输性能,在低功耗场效应晶体管和超灵敏光电探测器等领域有广阔的应... 详细信息

二硫化钨(WS_(2))属于过渡金属硫族化合物(TMDs)材料,具有较宽的可调带隙(1.3~2.1 e V),缺陷密度相对较低,且有超高的表面积比,可通过外界掺杂或相变处理来改善载流子传输性能,在低功耗场效应晶体管和超灵敏光电探测器等领域有广阔的应用前景。采用微机械剥离的方法将多层WS_(2)薄膜转移到氧化铪(HfO2)介质层上,制备出具有高栅控、低功耗的WS_(2)背栅场效应晶体管,通过注入三乙胺(TEA)实现WS_(2)薄膜的表面电子掺杂。实验结果表明,修饰后的多层WS_(2)薄膜的面内振动模式有轻微位移,拉曼特征峰强度变弱,证明三乙胺溶液能有效增加WS_(2)薄膜内的电子浓度;薄膜与金属电极之间的欧姆接触良好,器件的电子迁移率由10.87 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)提升到24.89 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),室温下的电流开关比保持在106,亚阈值摆幅为190.11 m V/dec。结合理论分析TEA对WS_(2)原子薄层的掺杂机理,TEA通过表面电荷转移的方式来增加WS_(2)半导体内的电子浓度,完成WS_(2)背栅场效应晶体管的n型掺杂。器件较高的电流开关比及电子迁移率的提升证明了TEA的表面修饰能有效调控多层WS_(2)晶体管器件的电子传输特性。

关键词：二硫化钨 High-K 三乙胺背栅晶体管电学性能

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SOI MOSFET背栅总剂量辐射效应电流模型

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电子设计工程 2017年第5期25卷 142-145,149页

作者：黄建强何伟伟陈静罗杰馨中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室上海200050 中国科学院大学北京100049

基于SOI CMOS技术的抗辐射电路设计存在开发周期长、测试费用昂贵的问题。针对这一难点,本文通过对总剂量辐射效应机理的分析,提出了一种背栅总剂量效应电流模型。模型验证结果表明,该背栅总剂量模型仿真结果能高度吻合测试结果,模型能... 详细信息

基于SOI CMOS技术的抗辐射电路设计存在开发周期长、测试费用昂贵的问题。针对这一难点,本文通过对总剂量辐射效应机理的分析,提出了一种背栅总剂量效应电流模型。模型验证结果表明,该背栅总剂量模型仿真结果能高度吻合测试结果,模型能够给电路设计者提供可靠的仿真结果,缩短抗辐射电路开发周期,具有实用意义。

关键词： SOI MOSFET 总剂量效应背栅晶体管电流模型

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