【摘 要】
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基于硅基等传统半导体材料的器件尺寸缩小工艺的发展,受到了一系列量子效应和热效应等问题的巨大阻碍,使得仅靠等比例缩小硅基器件的尺寸就能提高集成电路性能的时代正在走向终结。新型低维半导体材料由于独特的低维纳米结构,表现出一系列不同于传统半导体的优异的电学、光学和力学性能,在场效应晶体管、微(纳)机电系统、传感器等领域具有巨大潜力,被认为有望突破传统半导体的尺寸瓶颈制备下一代信息器件。同时,将不同的低维
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基于硅基等传统半导体材料的器件尺寸缩小工艺的发展,受到了一系列量子效应和热效应等问题的巨大阻碍,使得仅靠等比例缩小硅基器件的尺寸就能提高集成电路性能的时代正在走向终结。新型低维半导体材料由于独特的低维纳米结构,表现出一系列不同于传统半导体的优异的电学、光学和力学性能,在场效应晶体管、微(纳)机电系统、传感器等领域具有巨大潜力,被认为有望突破传统半导体的尺寸瓶颈制备下一代信息器件。同时,将不同的低维纳米材料通过范德瓦尔斯力的耦合作用结合在一起形成范德瓦尔斯异质结,可以充分利用不同低维纳米材料的性能优势,从而能够实现更高性能的信息器件。因此,基于低维纳米半导体材料及其异质结器件的制备及其性能研究,正受到越来越多学者的重视。本论文聚焦基于二硫化钼(MoS2)的二维范德瓦尔斯异质结的场效应晶体管的制备和测试方法。通过全干转移的工艺技术,避免了传统低维纳米器件制备中需要的多重复杂湿法工艺,保证低维纳米材料不受有机溶剂等化学药品的污染和损伤,从而有利于保持材料的本征特性和得到更高性能的低维信息器件。本文通过利用如石墨烯(graphene)、六方氮化硼(h-BN)等二维材料,与MoS2材料构建范德瓦尔斯异质结,并实现了对器件电学性能的测试。本论文的主要研究内容包括,通过graphene与MoS2构成的异质结作为晶体管沟道材料,形成可调肖特基势垒薄膜场效应晶体管,成功将graphene高迁移率与MoS2高开关比的优势结合。进一步,利用graphene作为沟道材料MoS2的电极,形成graphene/MoS2/graphene异质结,能够有效地降低MoS2和电极之间的肖特基势垒进而大幅提高性能。同时,利用graphene和h-BN作为异质结晶体管的底栅和绝缘介质层,实现了完全由二维纳米材料的构建的场效应晶体管,该结构可以有效保证器件不受到基底材料表面悬挂键和陷阱对器件性能的干扰,更有利于研究低维纳米器件丰富的低维物理现象。由于二维纳米半导体材料天然的柔韧性和原子级厚度等优势,该二维异质结场效应晶体管的结构可以灵活地转移到柔性基底上形成柔性电子器件。在此基础上,本文还测试了基于该graphene/MoS2/graphene异质结的柔性晶体管,验证了此类器件在柔性基底上仍能正常工作,在柔性、可穿戴器件等领域具有一定的潜力。
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