【摘 要】
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二维过渡金属硫族化合物（TMDC）凭借着其原子级的厚度和优异的半导体性质成为后摩尔时代最有希望延续摩尔定律的材料。硫化钼（MoS2）是其中的典型代表,相比于石墨烯的零带隙,MoS2有着可调的带隙宽度,单层MoS2为直接带隙半导体,带隙宽度为1.8e V,随着层数的增加逐渐转变为间接带隙半导体。TMDC在构建逻辑门电路、光电探测、信息存储等方面有着广阔的应用前景。反相器是最基本的逻辑门电路,有着极低
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二维过渡金属硫族化合物（TMDC）凭借着其原子级的厚度和优异的半导体性质成为后摩尔时代最有希望延续摩尔定律的材料。硫化钼（MoS2）是其中的典型代表,相比于石墨烯的零带隙,MoS2有着可调的带隙宽度,单层MoS2为直接带隙半导体,带隙宽度为1.8e V,随着层数的增加逐渐转变为间接带隙半导体。TMDC在构建逻辑门电路、光电探测、信息存储等方面有着广阔的应用前景。反相器是最基本的逻辑门电路,有着极低的静态功耗和很高的噪声容限。本文以CVD生长的N型MoS2作为N沟道材料,氧等离子体掺杂后的P型MoS2作为P沟道材料,设计并制备出MoS2的CMOS反相器。本文利用优化后的CVD工艺制备N型MoS2薄膜,最大尺寸为200μm,分布均匀。制备的MoS2底栅型N-FET的阈值电压为2.64V,电流开关比为10~4,亚阈值摆幅为3.12V/dec,载流子迁移率为40cm~2V-1s-1,显示出良好的N型半导体特性。采用氧等离子体掺杂技术对MoS2进行P型掺杂。制备出的底栅型P-FET空穴场效应迁移率可以达到120 cm~2V-1s-1,电流开关比为10~6,亚阈值摆幅488.15m V/dec,显示出优异的P型半导体性能。利用CVD生长的MoS2作为N沟道材料,利用氧等离子体掺杂后的MoS2作为P沟道材料,制备出基于MoS2的CMOS反相器,显示出优异的电学性能。在Vdd=5V的条件下测得峰值电压增益为7.48,最大静态功耗为37.7n W,低电平噪声容限为0.45Vdd,高电平噪声容限为0.32Vdd,输入-输出电压具有相同的变化范围。本文还研究了氧等离子体掺杂浓度和P-FET中宽长比对反相器器件性能的影响。分析结果表明随着氧等离子体掺杂时间的增长,氧掺杂浓度逐渐增大,载流子场效应迁移率逐渐下降,对应的P-FET的阈值电压绝对值升高,使得反相器高电平输出降低。对P-FET宽长比的研究表明:通过优化FET的宽长比可以使反相器的阈值电压VM接近Vdd/2处,此时的传输曲线更接近对称,对应器件的噪声容限高。本文还研究了反相器电压输出曲线随时间的变化,将器件放置在空气环境中42天后,由于N-FET阈值电压的下降,使得反相器在低电平输入的情况下,Vout降低了3.75%。在高电平输入的情况下,得益于氧等离子体对MoS2掺杂的高稳定性,低电平的输出情况基本没有变化。
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