氧等离子处理的二硫化钼场效应晶体管表面掺杂和湿度传感研究

二维半导体过渡金属二硫属化物(transition metal dichalcogenide,TMD)具有独特的电学、光学和力学性能,在数字电路、光伏器件和能量存储等多个领域中具有巨大的应用潜力。通过表面掺杂控制TMD的电学性能为实现灵敏传感提供了有效的方法。本文开展了氧等离子体对二硫化钼(MoS_(2))掺杂特性的研究。首先,测试了MoS_(2)场效应晶体管(field-effect transistor,FET)的输运特性,发现氧等离子体处理对FET具有p型掺杂作用。随后,通过拉曼光谱研究了掺杂机制的成因,并证实了沟道表面类MoO_(3)缺陷的形成。最后,研究了经等离子体处理的晶体管的湿度传感特性,由于氧等离子体处理使得沟道对水分子的吸收中心增加,在潮湿环境下晶体管具有十分灵敏的响应特性,源漏电流值变化了约54%。这项工作不仅提供了一种调控TMD电学性能的简单方法,也展示了低维材料化学传感器的发展潜力。

基于石墨烯场效应晶体管的研究进展

在传统硅基器件日益趋近物理极限的背景下,石墨烯场效应晶体管(GFET)作为一种新型纳米器件受到广泛的关注。介绍了GFET的主要器件结构,分析了GFET的工作原理及其基本的电特性。对比论述了4种石墨烯的带隙调控方法,得出化学掺杂法和量子限制法在调控石墨烯带隙方面比外加电场调节法和引入应力法更具有实用价值。重点探讨了几种GFET有源层石墨烯薄膜的制备方法:外延生长法、剥离法、化学气相沉积法(CVD)、氧化石墨烯还原法、旋涂法以及喷涂法,并对比分析了各种制备方法的优缺点。最后概述了GFET的应用前景和挑战。

GaAs场效应晶体管不同极性ESD损伤机理

对Ga As场效应晶体管(FET)进行3个正向和3个负向脉冲(3"+"3"-")、3个负脉冲(3"-")、3个正脉冲(3"+")3种极性静电放电(ESD)实验,不同极性ESD实验下器件的失效阈值不同。以栅源端对为例对实验结果进行分析,在3"+"3"-"和3"-"极性下,器件失效模式为栅源短路,在3"+"极性下器件电参数退化。运用热模型对ESD正负脉冲电压产生的温升进行了计算,器件的损伤机理为,在正向脉冲下为栅金属纵向电迁移导致肖特基势垒退化;在ESD负向脉冲下为高电场引起栅源端对击穿。

h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质氢终端金刚石场效应晶体管

金刚石是实现高频大功率器件的理想候选材料,但是其较低的载流子迁移率制约了器件的性能,六方氮化硼(h-BN)作为氢终端金刚石场效应晶体管(FET)的栅介质材料有望提升金刚石材料的载流子迁移率。利用商业化大面积h-BN材料,制备了h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的氢终端金刚石FET,h-BN/Al_(2)O_(3)/氢终端金刚石材料的载流子迁移率得到提升,达到186 cm^(2)/(V·s)。相较于Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET,h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET最大饱和电流密度和最大跨导均得到提升,分别为141 mA/mm和9.7 mS/mm。通过电容-电压(C-V)测试计算了栅介质和金刚石间界面固定电荷密度和陷阱密度,h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET界面负固定电荷密度为5.4×10^(12)cm^(-2)·eV^(-1),低于Al_(2)O_(3)栅介质的金刚石FET(8.5×10^(12)cm^(-2)·eV^(-1))。固定电荷密度低、载流子迁移率高是h-BN/Al_(2)O_(3)栅介质金刚石FET性能提升的主要原因。

石墨烯场效应晶体管的非线性模型

包含新技术、新材料的新型器件的不断涌现,使现有的传统器件模型已不能完全表征石墨烯场效应晶体管(GFET)的特性。提出了一种基于经验公式的非线性模型来表征GFET的特性,该模型对传统经验模型的公式和拓扑结构进行了改进,使其能更好地表征GFET的特性。该模型包含了GFET的栅源电流模型、源漏电流模型、电容模型和低频散射效应等。此外该模型为可定标的模型,可用于一定尺寸范围的器件的仿真。该模型可集成在仿真软件中进行石墨烯电路的设计,其直流I-V特性和多偏置S参数的仿真结果与测试结果吻合较好,验证了该模型的有效性。

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管已经成为高速、低功耗纳米级器件的重要发展方向。首先,从气相-液相-固相生长和选择区域生长的角度,阐明了在硅衬底上无位错生长高晶体质量Ⅲ-Ⅴ族纳米线的机制。在此基础上,介绍了垂直结构和水平结构Ⅲ-Ⅴ族纳米线晶体管的制备方法。研究表明,垂直结构纳米线容易实现高密度生长,而水平结构纳米线有利于逻辑栅的制作。通过比较垂直生长、水平生长、衬底转移和自上而下纳米加工技术制备Ⅲ-Ⅴ族纳米线的工艺优缺点,为水平结构Ⅲ-Ⅴ族纳米线在硅衬底上的大面积异构集成及其器件的制作提供了新的解决方案。

电纺硼掺杂氧化铟场效应晶体管的研究

采用静电纺丝方法制备了基于不同掺杂浓度的铟硼氧纳米纤维(IBxO)为沟道层的场效应晶体管(FET)。研究分析了B掺杂对氧化铟纳米纤维的表面形貌、结晶特性以及场效应晶体管电学性能的影响。实验结果发现,相比于纯的氧化铟场效应晶体管,IBxO-FETs表现出更低的关态电流和正向移动的开启电压,表明掺杂剂硼的引入能够有效抑制氧化铟中的电子浓度。场效应晶体管在硼的掺杂浓度为摩尔分数6%时表现出最优的电学特性,饱和电流为3.71×10^(-4) A,亚阈值摆幅为1.56 V/decade,电流开关比为3.1×10^(7),场效应迁移率为2.11 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)。同时实验研究发现将高k值ZrOx作为介电层时,其性能明显提高,器件的工作电压降低到4 V,场效应迁移率提高为3.75 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),亚阈值摆幅降低到80 mV/decade。

二硫化锡薄膜场效应晶体管的可见光探测特性

采用化学气相输运(CVT)法和微机械剥离技术制备了SnS_(2)薄膜,使用Au电极作为源、漏电极,n型重掺杂Si作为栅极,制备了基于SnS_(2)薄膜的背栅型场效应晶体管(FET),并研究了其电学特性和可见光探测特性。结果表明,制备的SnS_(2)薄膜具有良好的结晶度,SnS_(2)薄膜背栅型FET具备良好的栅压调控特性。器件对波长为405 nm的蓝紫光表现出明显的光响应,光响应度高达456.82 A·W^(-1),外量子效率为1.40×10^(5)%,比探测率为7.12×10^(12)Jones,并且具有较快的光响应速度,上升和下降响应时间分别为1 ms和0.5 ms。器件的光探测性能受栅压调控,当栅压为40 V时,器件的光响应度可达730 A·W^(-1)。

GaAs开关FET功率特性的研究

在GaAs单片微波集成电路(MMIC)设计中,开关场效应晶体管(FET)是研制开关、数控衰减器、数控移相器等电路的基础。基于0.15μm栅长GaAs开关FET,研究了GaAs开关FET在低频下的功率压缩特性。通过对开关FET的小信号等效电路和大信号模型的分析,发现频率下降会降低开关FET的栅压,从而降低开关FET低频下的功率容量。通过增加栅极电阻来提高栅极电压,进而增加开关FET功率容量。最后通过实际的开关电路验证了增大栅极电阻可有效提高开关电路的功率容量,对今后的开关类器件设计工作起到一定的指导意义。

GaAs FET脉冲功率放大器输出脉冲包络分析研究

基于GaAs场效应晶体管(FET)微波脉冲固态功率放大器的输出脉冲包络,对输出脉冲波形的顶部降落与顶部过冲开展研究。从脉冲调制电路、GaAs FET的饱和深度以及沟道温度三个方面对脉冲顶降进行了讨论,指出了可以通过选用合适的储能电容、使GaAs FET工作在饱和状态、降低沟道温度来改善脉冲顶降。另外,从脉冲调制方式和寄生电感影响两方面分析了脉冲顶部过冲,给出了改善脉冲顶部过冲的措施,如减小电路中的寄生电感和选取合适的静态工作点。经实践验证,并通过脉冲顶降和顶部过冲在改善前后的数据对比,证明了上述措施是有效的。

使用Y函数方法提取MoS2 FET双向扫描电学参数

利用机械剥离法制备了多层背栅MoS_2场效应晶体管（FET）,通过双向栅压扫描提取了器件的转移特性曲线,并利用Y函数方法提取了器件的电学参数。结果表明,利用Y函数法提取的载流子迁移率值明显大于利用跨导法提取的载流子迁移率值。这两种提取方法的不同之处在于Y函数方法考虑了寄生电阻的影响,而跨导法则将其忽略了,这说明寄生电阻带来的影响是显著的。此外,该器件在双向扫描过程中出现了明显的回滞特性,这主要是MoS_2材料吸附外界杂质电荷造成的。无论采用跨导法还是Y函数方法,其正向扫描和反向扫描时对应的电学参数都不完全一致。这表明在分析MoS_2 FET的电学性能时,除了考虑器件的寄生电阻外,还需要考虑界面电荷的影响。

FinFET纳电子学与量子芯片的新进展

综述了后摩尔时代中两大发展热点:鳍式场效应晶体管(FinFET)纳电子学和基于量子计算新算法的量子芯片的发展历程和近两年的最新进展。在FinFET纳电子学领域,综述并分析了当今Si基互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的发展现状,包括FinFET的发展、10 nm和7 nm技术节点的量产、5 nm和3 nm技术节点的环栅场效应晶体管(GAAFET)和2 nm技术节点的负电容场效应晶体管(FET)的前瞻性技术研究以及非Si器件(InGaAs FinFET、WS2和MoS2两种2D材料的FET)的探索性研究。指出继续摩尔定律的发展将以Si基FinFET和GAAFET的技术发展为主。在量子芯片领域,综述并分析了超导、电子自旋、光子、金刚石中的氮空位中心和离子阱等五种量子比特芯片的发展历程,提高相干时间、固态化及多量子比特扩展等的技术突破,以及近几年在量子信息应用的新进展。基于Si基的纳米制造技术和新的量子计算算法的结合正加速量子计算向工程化的进展。

基于CVD单层MoS_2 FET的光电探测器

通过化学气相沉积(CVD)工艺在SiO_2/Si衬底生长出MoS_2材料,对材料进行喇曼光谱表征,验证了单层MoS_2的存在;基于CVD生长的单层MoS_2完成了晶圆级背栅场效应晶体管(FET)光电探测器的工艺研发;对MoS_2 FET器件进行了电学特性表征,开关比可达到105数量级,场效应迁移率约为1 cm2·V-1·s-1,栅极漏电流为10-10 A数量级;对MoS2FET器件的光电特性进行了表征,该光电探测器具有普通光电导探测器的基本光电特性,其光电流随光照强度的增强以及源漏电压的增加而增加,同时由于栅极的调制提高了光电探测器的灵活性。通过控制栅极电压能够控制MoS2FET光电探测器的暗电流大小,实现对探测器η参数的有效调制。最后通过器件能带图对MoS_2 FET光电探测器的光电特性进行了阐释,为其走向实际应用奠定了理论基础。

一种GaN FET开关用高压高速驱动器的设计与实现

设计了一种GaN场效应晶体管(FET)开关用高压高速驱动器电路,该电路集成了TTL输入级、高压电平转换级及大功率输出级电路,其主要功能是对输入的TTL信号进行电平转换,输出0 V/负高压信号。输入级采用施密特结构实现输入兼容TTL信号的同时提高了输入噪声容限,电平转换级、输出级对传统电路结构做了改进,转换速度更快,功耗更低。该电路采用标准硅基高压CMOS工艺制造流片,芯片测试结果表明,负电源工作电压为-5^-40 V,静态电流小于10μA,动态电流为5 m A@10 MHz,传输延时小于20 ns。芯片尺寸为1.42 mm×1.83 mm。该电路具有响应速度快、功耗低以及抗噪声能力强等特点,可广泛应用于微波通信系统中。

克服FET生物传感器德拜屏蔽效应的研究进展

目前场效应晶体管生物传感器(BioFET)已成功用于生物医学检测。虽然BioFET在生物检测方面具有快速响应、无标记和高灵敏度检测等优点,但是BioFET用于生理环境检测时,容易受到德拜屏蔽效应的影响,导致灵敏度降低甚至无法检测。阐述了BioFET的工作原理;介绍了BioFET目前面临的挑战之一——德拜屏蔽效应;解释了德拜屏蔽效应的原理;探讨了克服德拜屏蔽效应的典型方法:增加德拜长度、优化目标物、优化器件结构以及降低电双层影响,并对这4个方面的研究进展从增强机理、具体方法及检测效果等方面进行了详细的分析和总结。

微波FET有源倍频器的工程设计

介绍了一种微波PET有源倍频器的工程设计方法,采用该方法研制的Ku波段五次倍频器具有倍频效率高、温度稳定性好的特点,适合于星载应用。

基于FET结构的MoS_(2)器件的研究进展

对带隙可调的二维层状半导体二硫化钼(MoS_(2))的材料特性以及基于MoS_(2)薄膜的器件性能和应用进行了简单阐述,重点分析了多种MoS_(2)场效应晶体管(FET)的结构特点,并对MoS_(2) FET的制备工艺、电学性能(载流子迁移率、电流开关比、亚阈值摆幅等)以及栅极介质层材料对器件性能的影响等进行了综述。在此基础上进一步总结了近年来国内外基于FET结构的MoS_(2)光电器件及传感器的研究进展,分别对其结构、光响应度以及灵敏度等性能进行了分析讨论。最后,对MoS_(2)薄膜制备以及基于FET结构的MoS_(2)电子器件、光电器件和传感器未来的发展方向进行了展望。

GaAs PHEMT低噪声放大器氢效应机理分析

GaAs PHEMT低噪声放大器高温电老炼试验过程中存在电流先减小后部分恢复的现象。基于内部气氛检测结果和电路结构分析,认为低噪声放大器电流变化是氢气氛下其内部GaAs场效应晶体管(FET)性能发生退化所导致。因低噪声放大器芯片电路结构特点不能对内部FET直接进行参数测试,为进一步研究GaAs FET的氢效应作用机理,对GaAs FET结构单元开展高温电老炼试验,试验过程中GaAs FET电流变化趋势与低噪声放大器相同。分析了GaAs FET结构单元试验过程中饱和漏电流、夹断电压变化趋势,认为导致GaAs FET电参数先减小是由于沟道二维电子气(2DEG)浓度减小和栅金属与GaAs界面状态改变两种机理共同作用,电参数部分恢复主要是栅金属与GaAs界面状态改变起作用。

碳基纳电子的新进展

集成电路技术进入后摩尔时代后,自下而上发展的分子电子学碳基纳电子的技术突破引起人们的高度关注。目前碳基纳电子的发展基于一维的碳纳米管和二维的石墨烯两种碳基材料。介绍了碳纳米管电子学、射频碳纳米管场效应晶体管(RF CNFET)、射频石墨烯FET(RF GFET)、GFET微波单片集成电路(MMIC)和石墨烯纳带(GNR)基逻辑电路等的发展来由和最新进展;包括碳基半导体特有的材料和工艺关键技术突破,抑制缺陷的新电路设计方法,CNFET与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的三维(3D)集成应用,晶圆规模的石墨烯外延材料制备,洁净石墨烯材料工艺,GFET混频器、放大器、THz探测器和弹道整流器等MMIC的设计与制备,石墨烯柔性电子学,石墨烯双极基逻辑电路的设计与制备,GNR制备以及GNR基逻辑电路的设计等。综述了碳基纳电子各方面的创新点和进步点,以及总体发展态势。