【摘 要】
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由于石墨烯的带隙为零,因此器件基本没有开关比,不能用于逻辑器件.新型二维材料硫化钼的出现弥补了这一缺陷.硫化钼具有合适的禁带宽度(1.2-1.8 eV),目前基于单层硫化钼的场效应晶体管开关比已经可以达到108,迁移率大于30cm2/V·s 及亚阈值斜率74mV/dec.不过,同样由于缺乏悬挂键,高介电常数的介质层难以直接沉积在硫化钼表面,使得目前基于硫化钼的电子器件多数采用的是背栅型,这极大地限
【机 构】
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武汉大学物理学院,湖北武汉,430072;湖南大学物理与微电子学院,湖南长沙,410082 武汉大
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由于石墨烯的带隙为零,因此器件基本没有开关比,不能用于逻辑器件.新型二维材料硫化钼的出现弥补了这一缺陷.硫化钼具有合适的禁带宽度(1.2-1.8 eV),目前基于单层硫化钼的场效应晶体管开关比已经可以达到108,迁移率大于30cm2/V·s 及亚阈值斜率74mV/dec.不过,同样由于缺乏悬挂键,高介电常数的介质层难以直接沉积在硫化钼表面,使得目前基于硫化钼的电子器件多数采用的是背栅型,这极大地限制了硫化钼器件的实际应用.实际上在研究的过程中,为了探究界面缺陷对二硫化钼晶体管的影响,我们使用UV-O对不同厚度的MoS2 引入了一些缺陷并在此基础上沉积高质量的HfO2 栅介质,组装形成了超薄栅介质的顶栅晶体管.通过研究发现,界面缺陷对于不同厚度的MoS2 都有抑制作用,单层的MoS2 受到的抑制作用较强而多层的MoS2 受到抑制作用相对较弱.随着缺陷密度的增加,单层的MoS2 迁移率急剧降低而多层的MoS2 仍会保有较高的迁移率.采用以超薄金属钇作为缓冲层的方法成功实现了硫化钼表面高介电常数介质层氧化铪的高质量沉积.由于金属钇在二硫化钼的表面有较高的浸润性,通过自然氧化后可以获得非常致密和平整的氧化钇薄膜,降低了氧化钇和二硫化钼界面间的电荷陷阱态密度,而后利用ALD 技术沉积高质量的氧化铪,进而获得了高性能顶栅型硫化钼场效应管.器件迁移率达到63.7 cm2/V·s,亚阈值斜率接近理论极限(65 mV/dec),同时获得了目前为止硫化钼器件中室温下最大的饱和输出电流密度(526 μA/μm).在此基础上,申请人进一步设计制造出相应的逻辑电路,获得了电压增益达到16dB 的反相器,验证了硫化钼顶栅器件在薄膜晶体管集成电路中的实际应用前景.我们采用化学气相沉积法获取的六角氮化硼,结合高介电常数电介质氧化铪形成一种堆叠结构的电介质.利用六角氮化硼制备过程中表面原子缺陷形成的悬挂键作为氧化铪原子层沉积的成核点,二者相结合用于克服单一氮化硼介电常数低下且层厚不可控的弊端.同时介质层表面库仑杂质散射、光声子散射也得以抑制,最终获取基于二硫化钼的高性能晶体管,器件迁移率达到88 cm2/V·s.另外,我们进一步证实了这种介质结构可以应用于石墨烯晶体管和氮化镓高电子迁移率器件中,石墨烯顶栅晶体管迁移率为9700 cm2/Vs,并且饱和电流达到2.9 mA/μm.
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