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。

具有86 mV/dec亚阈值摆幅的MoS_2/SiO_2场效应晶体管（英文）

在SiO_2/Si(P^(++))衬底上制备了多层MoS_2背栅器件并进行了测试.通过合理优化和采用10 nm SiO_2栅氧,得到了良好的亚阈值摆幅86 mV/dec和约107倍的电流开关比.该器件具有较小的亚阈值摆幅和较小的回滞幅度,表明该器件具有较少的界面态/氧化物基团吸附物.由栅极漏电造成的漏极电流噪声淹没了该器件在小电流(~10^(-13)A)处的信号,限制了其开关比测量范围.基于本文以及前人工作中MoS_2器件的表现,基于薄层SiO_2栅氧的MoS_2器件表现出了良好的性能和潜力,显示出丰富的应用前景.

HfO_(2)基铁电场效应晶体管

铁电晶体管作为一种新型的存储器件,由于与CMOS工艺兼容、低功耗等优点,吸引了研究者广泛关注。近年来,Flash、RRAM、FeFET等不同存储器件发展迅速,但都存在一定的微缩问题。大量研究工作表明,HfO_(2)基材料在1 nm厚度时也有微弱的铁电性,有利于器件的微缩,所以近年来对于HfO_(2)基铁电晶体管的研究越来越广泛。本文主要从HfO_(2)基铁电晶体管基本结构、存储机制、工艺制备过程、相关测试方法、应用等方面对HfO_(2)基铁电晶体管存储器进行了综述。

新型范德华绝缘体封装的MoS_(2)晶体管性能研究

以MoS_(2)为代表的二维半导体材料是下一代延续摩尔定律的潜在电子学新材料之一。然而,二维特性使得MoS_(2)中电子的输运行为对环境条件高度敏感。采用范德华绝缘体材料进行封装包覆,是目前消除二维半导体器件环境敏感性的有效方案之一。文章采用化学气相传输法制备新型范德华绝缘体材料CrOCl,并以少层CrOCl为介电层和封装材料,设计并制备了基于MoS_(2)的场效应晶体管。以CrOCl为底栅介电层及封装材料的MoS_(2)晶体管的室温场效应迁移率约为60 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),2 K下进一步增大至100 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)。此外,相比于无封装MoS_(2)晶体管高达20 V的回滞窗口,CrOCl的包覆有效消除了晶体管转移特性的回滞现象,证明其在二维材料电子学中的应用潜力。

p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管的制备及Ⅳ特性研究

采用磁控溅射掩膜制备工艺,在n型Si衬底上分别制备了底栅型p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管(TFTs).用XRD、SEM、XPS等检测分析方法对不同条件下制备的Cu_2O薄膜的晶体结构、表面形貌、化学成分进行了表征.对O_2通量、退火温度及沟道宽度等因素对半导体薄膜及器件特性的影响进行了对比研究.研究发现,O_2通量是制备Cu_2O半导体薄膜的关键因素,器件I_(DS)电流的绝对值随着栅压的绝对值的增大而增大,具有典型的p沟道增强型场效应晶体管特征.其Ⅳ特性与溅射沉积时间、沟道宽度、退火因素等有关,真空退火处理后有助于提高器件的I_(DS)的绝对值.测试表明,制备的沟道宽度为50μm的典型器件的电导率、电流开关比和阈值电压分别为0.63S/cm,1.5×10~2及-0.6V.

杂质吸附对背栅MoS2场效应晶体管电学性能的影响

为了探究MoS2(二硫化钼)薄膜吸附的杂质分子对载流子输运以及相关器件的电学性能造成的影响,制备了多层MoS2背栅场效应晶体管。实验结果表明:当MoS2器件的沟道暴露在空气中时,在不同的偏压条件和扫描条件下,器件表现出不同的回滞窗口和不同的亚阈值斜率。因此,只有减小了外界吸附分子的影响,才能获得具有稳定电学性能的MoS2器件,并确保迁移率、亚阈值斜率、开启电压等重要电学参数的可靠性。

HfO2/SrTiO3氧化物场效应晶体管的深能级瞬态谱测试方法研究

研究了深能级瞬态谱(DLTS)测量HfO2/SrTiO3(STO)场效应晶体管中缺陷的方法。该场效应晶体管的沟道为Ar+轰击SrTiO3表面形成的导电层,导电层表现为n型掺杂,其载流子浓度约为2.5×1013 cm-2;栅介质为通过磁控溅射的方法制备的非晶氧化铪。实验结果和模拟计算均表明SrTiO3基底介电常数随温度的变化会对DLTS测试结果产生不可忽略的影响。在低温下,STO介电常数变化了约3倍,导致DLTS谱线的峰偏移了约1~3 K,进而引起所测缺陷能级偏大约15%,表观陷阱浓度也同样偏大。基于模拟计算,提出了一套修正DLTS实验数据的方法。使用该方法,得到HfO2/STO样品的缺陷能级为0.17 eV^0.38 eV,陷阱浓度为1012 cm-3~1013 cm-3。

杂质对二硫化钼场效应晶体管磁滞效应的影响

二硫化钼(Mo S_2)具有优异的理化性能,但是磁滞效应限制了其在半导体器件上的大量应用。研究了化学气相沉积法(CVD)生长的Mo S2薄膜制备的悬置和非悬置场效应晶体管在室温下(20℃左右)的电学特性曲线。发现非悬置场效应晶体管和悬置场效应晶体管中都存在磁滞现象,但是非悬置场效应晶体管的磁滞现象比悬置场效应晶体管更强。说明在样品制备过程中引入的水分子和氧分子等杂质吸附在样品表面和衬底与样品之间的界面上,这些杂质能从沟道材料的导带中转移电子充当载流子导致了磁滞效应的发生。

冠醚功能化的栅控石墨烯场效应晶体管的制备及对汞离子的检测

Hg^(2+)是一种具有生物蓄积性和毒性的重金属,对环境和人类健康均可造成严重损害.因此,开发便捷的Hg^(2+)传感器非常必要.本文基于溶液栅控石墨烯场效应晶体管的优异性能,通过氮硫杂冠醚的尺寸效应以及冠醚与Hg^(2+)的螯合作用来特异性识别Hg^(2+),制备了一种冠醚功能化栅极的溶液栅控石墨烯场效应晶体管(SGGT)传感器.该SGGT传感器因其固有的信号放大功能而比传统电化学检测Hg^(2+)更灵敏,其检出限为1×10^(−12) mol/L,比传统电化学传感器降低了2~3个数量级,在1×10^(−12)~1×10^(−7) mol/L检测范围内,狄拉克点的变化值与目标物浓度的对数值之间存在良好的线性关系,同时具有极高的选择性.对实际湖水样品的检测效果良好,对Hg^(2+)的检测标准偏差为1.10%~3.77%.本文结果表明,该晶体管传感器可以对Hg^(2+)进行高选择和高灵敏检测.

高场效应迁移率铁电栅二氧化锡薄膜晶体管的研究

采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备了以n型Si为栅极、二氧化锡(SnO2)薄膜为沟道层、(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)薄膜为绝缘层的薄膜晶体管。晶体管呈现出n沟道增强型性能,其开态电流Ion=25μA,场效应迁移率μsat=0.3cm2·V-1·s-1。BNT铁电薄膜的自发极化以及载流子与极化的耦合作用是晶体管具有较大开态电流和较高场效应迁移率的主要原因。

光电协控多层MoS_(2)记忆晶体管的阻变行为与机理研究

记忆晶体管是结合忆阻器和场效应晶体管性能且同时实现存储和信息处理的一种新型多端口器件.本文采用微机械剥离的多层二硫化钼(MoS_(2))制备了场效应晶体管结构的背栅记忆晶体管,并系统研究了器件在电场、光场及其协同调控下的阻变开关特性和阻变机理.实验结果表明,多层MoS_(2)记忆晶体管具有优异的双极性阻变行为和良好的循环耐久性.器件在栅压调控下,开关比可实现在10^(0)—10^(5)范围内变化,最高可达1.56×10^(5),表明器件具有很强的门控效应;在光场调控下,器件的阻变特性对光波长有很强的依赖性;光电协同调控时,器件表现出极好的四端口调控能力,开关比达4.8×10^(4).其阻变特性的机理可归因于MoS_(2)与金属电极接触界面电荷俘获状态和肖特基势垒高度的变化,以及MoS_(2)沟道光生载流子引起的持续光电导效应.

二硫化钼场效应晶体管金属接触的研究进展

二硫化钼(MoS2)作为一种代表性的半导体二维原子晶体材料,具有优异的物理及电学特性,这使其在光电器件尤其是逻辑器件的应用中具有广泛的前景。总结了MoS2的表面电荷转移掺杂和替位掺杂,并分析了不同掺杂方法的优劣,同时介绍了降低费米能级钉扎效应的两种接触电阻的优化方法。依据肖特基理论改变金属功函数可以调节金属与MoS2的肖特基势垒高度,但由于金属与MoS2之间存在费米能级钉扎效应,接触时会产生较大的肖特基势垒,降低载流子的发射效率,从而增加金属与MoS2之间的接触电阻。最后,指出MoS2器件接触电阻的研究趋势并展望了MoS2的应用前景。

聚乙烯醇掺杂对二维MoS_(2)晶体管电学性能的影响

采用机械剥离法得到二维MoS_(2)材料并将其转移到SiO2/Si衬底上,采用光刻、剥离工艺制备出二维MoS_(2)晶体管。将二维MoS_(2)晶体管浸泡在不同质量浓度的聚乙烯醇(PVA)溶液中,然后旋涂成膜并退火实现掺杂。对掺杂前后二维MoS_(2)晶体管的电学性能进行测试。测试结果显示,当PVA溶液质量浓度为0.5%、1%和2%时,掺杂后的二维MoS_(2)晶体管开态电流提高到3倍、3.6倍和10倍,有效电子迁移率提高到1.7倍、2.8倍和4.3倍,开态电阻降低了一个数量级以上。由于掺杂层的覆盖,二维MoS_(2)晶体管的稳定性有了显著提高,暴露在空气中30 d后未观察到电学性能有明显退化。研究结果表明,可以通过控制PVA溶液的质量浓度对二维MoS_(2)晶体管的掺杂浓度进行调控,从而影响其电学性能。

二维MoS_(2(1-x))Se_(2x)特性及其光电晶体管性能

表征了MoS_(2(1-x))Se_(2x)样品的Raman光谱和光致发光(PL)谱性质,验证了MoS_(2(1-x))Se_(2x)基于组分和厚度的带隙可调特性,并基于Raman光谱分析了单层及多层样品由于引入Se原子引起的结构变化及光谱特性。此外,受益于单层材料的直接带隙的电子结构,在405 nm激光波长、112.1μW/cm^(2)功率密度光照和0.5 V偏压的条件下,单层MoS_(2(1-x))Se_(2x)光电探测器响应度最大约为29 A/W,探测率超过4.0×10^(10) Jones,电流开关比约为10^(2)。单层MoS_(2(1-x))Se_(2x)光电晶体管展示出的优异光电探测性能显示出其在未来光电领域的巨大潜力。

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)。

半导体场效晶体管型pCO_2传感器研究

本文对采用氢离子敏感场效应晶体管制作场效应晶体管型pCO_2传感器进行了初步探讨。从理论上分析了其敏感机理、稳定性、响应速度及传感器设计原则,获得了令人满意的实验结果。

双轴错配应变对铁电双栅负电容晶体管性能的影响

提出了双轴错配应变调节的对称双栅负电容场效应晶体管的电学特性的解析模型,然后基于该模型对比研究了铁电层厚度和双轴错配应变分别对基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)和CuInP_2S_6材料的两种负电容场效应晶体管的电学性能的影响.结果表明:对于基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)的负电容场效应晶体管,当增加其铁电层厚度或施加压缩应变时,其亚阈值摆幅和导通电流得到改善,但施加拉伸应变具有相反的作用.对于基于CuInP_(2)S_(6)的负电容场效应晶体管,在增加铁电层厚度或施加拉伸应变时性能有所改善,但器件在压缩应变下是滞后的.比较两者发现,在低栅极电压下,基于CuInP_(2)S_(6)的负电容场效应晶体管比基于PbZr_(0.5)Ti_(0.5)O_(3)的负电容场效应晶体管表现出更好的性能.

栅场板型Ga_(2)O_(3)MOSFET器件单粒子烧毁仿真研究

设计了1种抗单粒子烧毁(single event burnout,SEB)效应能力较强的栅场板型结构Ga_(2)O_(3)MOSFET器件,并与平面型结构进行了对比,采用基于计算机辅助设计(technology computer aided design,TCAD)的商用半导体器件仿真模拟软件研究了2款器件发生SEB前后内部载流子浓度、电流密度等电学参数分布特性,深入研究了Ga_(2)O_(3)MOSFET器件发生SEB的机理及引入栅场板结构后SEB阈值电压增大的原因。在此基础上,对器件的结构进行优化,获得了抗SEB性能较好的结构参数。研究结果表明:2款Ga_(2)O_(3)MOSFET器件发生SEB的机理都是由于其内部难以实现p型掺杂,主要是电子导电,当器件处于关断状态时,栅极下方会形成耗尽区,而重离子入射碰撞离化产生的电子在耗尽区的积累会对衬底层中电子通道的开启具有显著影响。当器件发生SEB时,源极的电子会通过V型的电子通道流向漏极,使得器件发生短路,产生大电流并烧毁;与平面型Ga_(2)O_(3)MOSFET器件相比,引入栅场板结构的器件在沟道区域的峰值电场强度由2.9 MV·cm^(-1)降低至1.7 MV·cm^(-1),从而降低了重离子入射器件后,碰撞离化产生载流子的速率,另一方面,引入栅场板结构也扩大了耗尽区的范围,使得栅极的控制能力增强,将器件发生SEB的阈值电压从110 V提升至340 V;最后通过仿真优化SiO_(2)钝化层的厚度以及栅场板的长度,得到了抗SEB能力更强的器件结构参数,进一步将器件SEB阈值电压提升至380 V。

基于Ga2O3的场效应器件研究进展

氧化镓(Ga2O3)作为第三代宽禁带半导体材料,由于其超宽带隙、高击穿场强以及高巴利加优值等优点,广泛应用于大功率器件等领域,已成为近几年来国内外科研人员研究的热点。主要介绍了Ga2O3材料的特性,总结了基于Ga2O3的场效应晶体管(FET)的研究进展,对Ga2O3功率器件的发展进行了思考归纳。

用于FET的PECVD SiN_x掺杂MoS_2的有效性与可控性

通过化学气相沉积(CVD)工艺成功生长出少层MoS_2薄膜,用Raman光谱仪对材料进行表征,验证了三层MoS_2材料的存在。基于CVD生长出的三层MoS_2薄膜材料完成了背栅场效应晶体管(FET)的制作工艺研发。对MoS_2FET器件进行了电学特性表征,研制的MoS_2FET器件的开关比可达到1.45×10~6,器件的电子载流子场效应迁移率约为1 cm^2·V^(-1)·s^(-1)。对等离子增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(SiN_x)工艺掺杂MoS_2材料进行了研究,掺杂后器件的驱动电流提高了3倍多,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的有效性。通过控制PECVD SiN_x时间工艺参数对SiN_x薄膜厚度与掺杂浓度的关系进行了研究,随着SiN_x薄膜厚度增加器件的驱动电流逐渐增强,验证了SiN_x掺杂MoS_2材料的可控性。最后,对PECVD SiN_x工艺掺杂MoS_2材料的机理进行了讨论。