【摘 要】
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随着半导体器件特征尺寸的不断减小,MoS2因其优异的电学性能被认为具有作为下一代纳米电子器件沟道材料的潜力。虽然对于MoS2FETs（Field-Effect Transistors）的研究已经取得了一定的进展,但器件载流子迁移率仍远未达到其本征极限,限制了MoS2在高性能半导体器件的应用。因此,本文主要围绕着提高MoS2FETs迁移率展开研究。实验方面,以SiO2作为栅介质,在150、200和2
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（高性能双栅高k介质MoS2场效应晶体管的介质屏蔽效应及界面工程,批准号:61774064）；
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随着半导体器件特征尺寸的不断减小,MoS2因其优异的电学性能被认为具有作为下一代纳米电子器件沟道材料的潜力。虽然对于MoS2FETs（Field-Effect Transistors）的研究已经取得了一定的进展,但器件载流子迁移率仍远未达到其本征极限,限制了MoS2在高性能半导体器件的应用。因此,本文主要围绕着提高MoS2FETs迁移率展开研究。实验方面,以SiO2作为栅介质,在150、200和250℃下对MoS2进行硫化处理制备了MoS2FETs。电特性测量发现,200℃硫化处理可以最有效地修复S空位,提高载流子迁移率。在此基础上,用Hf O2、Al2O3替代SiO2并进行200℃硫化处理MoS2制备出MoS2 FETs,结果表明,以Al2O3作为栅介质的晶体管其迁移率进一步得到提升,达到64.74 cm~2/Vs。这主要归因于Al2O3具有合适的k值,产生较弱的声子散射而介质屏蔽效应占主导地位,从而提高了载流子迁移率,而k值较大的Hf O2将会引发较严重的声子散射,从而抵消了介质屏蔽效应。进一步地,以Al2O3作为栅介质并在室温下分别采用20、30和40 W功率的氧等离子体处理MoS2制备出MoS2 FETs。结果发现,30 W氧等离子体可以最有效填补MoS2中的S空位,减少散射中心,载流子迁移率提高至69.82 cm~2/Vs,而高功率的等离子体会破坏MoS2的晶格结构,导致迁移率下降。理论方面,采用第一性原理方法计算了本征和存在S空位的单层MoS2载流子迁移率。计算结果表明,引入S空位后,MoS2由本征时的直接带隙转变成间接带隙;另外,MoS2的弹性模量降低,且电子和空穴的形变势常数及有效质量均有所增加,因此导致MoS2载流子迁移率降低。理论计算为表面钝化改善MoS2晶体管迁移率的实验结果提供了理论依据。
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