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无结硅纳米线FET首次由J.P.Colinge教授在2009年提出,它解决了在纳米范围内制备高质量的pn结比较困难的问题,非常适用于短沟道晶体管的制备。与传统有结FET相比,它具有如下的优点:1)极大的简化了制备过程;2)消除了源/漏与沟道之间的杂质扩散;3)显示出更小的随着器件尺寸的降低所引起的短沟道效应;4)随着载流子浓度的升高,载流子迁移率降低的比较缓慢;5)缓和了随着器件尺寸缩小所要求的栅介质厚度减小的趋势。目前,很多研究组开展了关于无结FET的研究工作,但绝大部分都是利用高掺杂的硅材料来制备无结FET,一般掺杂浓度都在5×1019/cm3以上,器件的迁移率很低。我们注意到,即使是在高掺杂浓度的条件下,锗也具有比硅高的空穴和电子迁移率。同时由于费米能级钉扎效应,任何金属与p型锗的接触都表现为欧姆接触。如果利用锗材料来制备无结Gep-FET,将具有比无结Sip-FET更好的应用前景。 在本研究中,利用高掺杂浓度(1019cm3)的GeOI衬底上制备出锗膜厚度不同的单栅极微米尺寸的无结Gep-FET,它具有与传统的FET类似的电流-电压(I-V)特性。栅极电压对漏电流的调制作用随锗膜层厚度的下降而逐渐增大,通过将锗膜厚度减薄到接近最大耗尽层宽度,实现了器件的关断。当栅极电压在-40V到40V之间时,锗膜厚度为11.2nm的单栅极微米尺寸的无结Gep-FET的开关电流比大于104;在载流子浓度为1013cm-2时,其空穴迁移率约为100cm2V-1s-1,比掺杂浓度为6.6×1017cm-3。硅衬底上制备的常规有结Sip-FET在同样载流子浓度下的空穴迁移率高,接近掺杂浓度约为1019cm3的p型体锗中的空穴迁移率,且其空穴迁移率随着载流子浓度的升高呈现缓慢下降趋势。此外,我们还探讨了GeOI衬底掺杂浓度不同对无结Gep-FET性能的影响,结果表明,无结Gep-FET的阈值电压随着掺杂浓度的改变而改变,其开关电流比随着掺杂浓度的降低略微增大,其空穴的迁移率随着掺杂浓度的降低有所提高。 利用电子束曝光系统、光刻系统以及干法和湿法刻蚀,在高掺杂浓度(1019cm-3)的GeOI衬底上制备出了沟道长度为5.2μm,宽度为60～495nm的单栅极无结Ge纳米线p-FETs。对于纳米线宽度不同的器件,开关电流比几乎一样,且大于104;纳米线宽度不同的器件的阈值电压与纳米线宽度有关。此外,纳米线宽度为160～335nm所对应的器件在同一载流子浓度下的空穴迁移率随着纳米线宽度的增加几乎不变,空穴迁移率约为90～110cm2·V-1·s-1,接近p型体锗在掺杂浓度为1019cm-3时的空穴迁移率,且空穴迁移率随着载流子浓度的升高下降的比较缓慢。这点与微米尺寸的无结锗p-FET中空穴迁移率随载流子浓度变化趋势类似。 利用高压氧化技术对锗界面进行钝化处理,采用原始Ge和SiO2的厚度均为100nm的高掺杂浓度(1019cm-3)的GeOI衬底制备了双栅极无结Gep-FET。不同上栅极电压下的ID-VD特性与不同下栅极电压下的ID-VD特性非常相似,但由于下栅介质SiO2的厚度远大于上栅介质Y2O3的厚度,因而器件工作时所需的下栅极电压比上栅极电压大。在相同的VD下,当上栅极电压在-5V到5V之间变化时,无结Gep-FET的开关电流比接近103;当下栅极电压在-40V到40V之间变化时,无结Gep-FET的开关电流比可达到104,这远高于上栅极电压调控下的开关电流比。当施加一个负值的下栅极电压时,随着下栅极电压从0增加到-10V时,上栅极阈值电压朝着正的方向偏移。当施加一个负值的上栅极电压时,随着上栅极电压从0增加到-2V时,下栅极阈值电压也朝着正的方向偏移。上、下栅极调控的开关电流比受温度影响很大,在150K的工作温度下,上、下栅极调控的开关电流比都可以达到106。在双栅极无结Gep-FET中,关状态下的泄漏电流中占主导地位的是由位于价带顶以上0.2eV或者导带底以下0.2eV处的Hall-Shockley-Read产生一复合中心产生的载流子移动形成的电流。当VBG=0,载流了浓度为6×1012cm-2时,由上栅极调控的空穴有效迁移率的为120cm2·V-1·s-1。随着负的下栅极电压VBG的升高,南上栅极调控的空穴有效迁移率也升高。当VBG=-10V,载流子浓度为6×1012cm-2时,由上栅极调控的空穴有效迁移率为160cm2·V-1·S-1。空穴有效迁移率随着载流了浓度的升高而比较缓慢地降低。此外,当温度由300K下降N250K时,由上栅极调控的空穴迁移率受温度的影响较小。当温度低于250K时,空穴迁移率随温度的下降呈现明显下降趋势。 从理论上对无结GeFET进行分析,根据其工作原理,建立了其电流和阈值电压的表达式。通过选择合适的锗膜厚度、二氧化硅层的厚度和一定功函数的金属做栅电极,可以实现常关型的双栅极无结GeFET。同时也探究了随机杂质波动对在高掺杂浓度衬底上制备的无结GeFET阈值电压变化的影响,并提出了降低阈值电压变化的解决方案,从而为无结GeFET的实际应用提供理论依据。 此外,利用光致发光光谱仪和拉曼光谱仪对GeOI衬底进行了分析。利用单栅极微米尺寸的无结Gep-FET结构,我们研究了自由载流子浓度对拉曼光谱峰的位置及半高宽的影响。光致发光光谱研究发现,当锗膜厚度减小到10nm以下时,锗对应的直接带隙的禁带宽度变宽。