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金属—绝缘体—金属/半导体结构的电学性质研究

金属—绝缘体—金属/半导体结构的电学性质研究

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作者：吉艳凤苏州大学

学位级别：硕士

电子信息存储器在市场上占有越来越大的份额,越加显示其重要性,而金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-氧化物-半导体（MOS）结构是电子信息存储器最常用的结构,本文主要通过以下几方面的研究来促进电子信息存储器的发展。1.研究原子力显微镜... 详细信息

电子信息存储器在市场上占有越来越大的份额,越加显示其重要性,而金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-氧化物-半导体（MOS）结构是电子信息存储器最常用的结构,本文主要通过以下几方面的研究来促进电子信息存储器的发展。1.研究原子力显微镜（AFM）在电子信息存储器研究中的应用;2.二维介电层在随机阻变存储器（RRAM）中的可靠性;3.金属-氧化物-半导体在原子力显微镜中零压下产生电流的原因。研究表明,环境舱可以有效控制AFM的测试环境,置换舱内气体、降低环境舱内相对湿度、提高AFM的分辨率,对导电原子力显微镜（CAFM）在电子信息技术方面的应用有积极作用。二维介电层的引入开启了RRAM的新篇章,其AFM的可靠性研究发现,二维氮化硼的电学稳定性高于氧化铪,击穿过程是逐层进行的,器件水平的研究表明基于氮化硼的RRAM能够稳定运行,上电极钛与硼相互作用,形成导电细丝。氮化硼RRAM制备方法简单并与CMOS工艺相容,利于大规模生产。在RRAM的研究过程中发现,CAFM测试MOS结构的样品时,零压下可以产生电流,许多研究者有同样的发现,但没有得到公认的解释。本文通过不同功能的CAFM以及对不同的样品进行大量数据研究发现,该电流为CAFM的激光产生的光电流。激光在探针悬臂处泄露使得部分激光照射到探针下方的样品上,电子存储器常用硅衬底,而硅是很好的吸光材料,产生自由电子-空穴对。这个现象可发生在任何可吸收光并具有内建电场的衬底上,因此在实验研究中要考虑这一方面。

关键词：环境舱原子力显微镜氮化硼随机阻变存储器光电流激光

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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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