二維層狀晶體場效應(yīng)器件電學(xué)性質(zhì)的溫度效應(yīng)研究.pdf

1、近年來，受制于傳統(tǒng)硅材料的物理極限，硅基微電子器件要繼續(xù)遵循摩爾定律進行發(fā)展面臨著極大的困難。二維層狀材料，包括石墨烯和金屬硫?qū)倩衔?，因其具有?yōu)異的電子遷移率、獨特的光電性能、原子級厚度等特點，被視作可替代傳統(tǒng)硅材料的下一代微電子器件材料。而對硅基微電子器件的研究表明，器件在工作中由于熱量積累造成的器件溫度升高會導(dǎo)致器件一系列的性能變化。硅基微電子器件中的熱效應(yīng)已經(jīng)對器件進一步發(fā)展產(chǎn)生了限制。因而在目前二維層狀材料還處于應(yīng)用研究初期的

2、階段，及早地對利用二維層狀材料所形成的微電子器件性能與器件溫度變化的關(guān)系進行研究，無疑有助于未來這一類新興電子器件的實際應(yīng)用和推廣。而在種類繁多的微電子器件中，場效應(yīng)器件是一種基礎(chǔ)性器件。因此，針對二維層狀材料，選取場效應(yīng)器件作為研究對象來對微電子器件的溫度效應(yīng)進行研究，是非常必要的。
　　針對這一問題，本論文分別對兩種典型的二維層狀材料場效應(yīng)器件，石墨烯場效應(yīng)器件和金屬硫?qū)倩衔?SnS2-xSex場效應(yīng)器件的溫度效應(yīng)，有重點地

3、展開了一些研究工作。通過對石墨烯場效應(yīng)器件溫度效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)了石墨烯場效應(yīng)器件在長時間工作時自發(fā)熱引起的溝道電阻不穩(wěn)定性，分析了這種不穩(wěn)定性的成因。在成功實現(xiàn)了高導(dǎo)熱 AlN介電層薄膜制備的基礎(chǔ)上，通過用其作為器件的介電層，有效的抑制了溝道中熱量的積累，減弱了溝道電阻不穩(wěn)定性。利用化學(xué)氣相輸運法合成了不同化學(xué)組分比的 SnS2-xSex層狀晶體，對相應(yīng)的場效應(yīng)器件在不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進行了系統(tǒng)的表征和分析。通過對輸運特性的

4、分析和相關(guān)理論計算，解釋了S/Se比例對晶體在不同溫度下輸運特性和晶體激活能影響。
　　在石墨烯場效應(yīng)器件的溫度效應(yīng)問題上，首先對Si(001)上高導(dǎo)熱AlN薄膜的射頻反應(yīng)濺射制備工藝進行了研究。通過對濺射功率的優(yōu)化控制，觀察到通過適當(dāng)調(diào)高濺射功率，可以有利于高能Al-N鍵的形成，從而得到c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜。結(jié)合考慮氧雜質(zhì)和晶界的散射模型及薄膜熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)，分析了反應(yīng)濺射氣氛中Ar/N2流量比對薄膜熱導(dǎo)率的影響，得到了優(yōu)化

5、的反應(yīng)濺射氣氛。通過對不同襯底溫度下生長的AlN薄膜熱導(dǎo)率以及AlN與Si襯底界面微結(jié)構(gòu)的表征，結(jié)合串聯(lián)熱阻模型和散射模型解釋了襯底加熱溫度-界面微結(jié)構(gòu)-熱導(dǎo)率三者之間的相互關(guān)系。通過提高襯底加熱溫度，抑制AlN/Si界面處非晶AlN層的形成，成功制備了熱導(dǎo)率可達26.7 W/mK的高導(dǎo)熱介電層薄膜。
　　在實現(xiàn)了高導(dǎo)熱AlN介電層薄膜制備的基礎(chǔ)上，對石墨烯場效應(yīng)器件在80 K至300 K溫度區(qū)間內(nèi)存在大氣環(huán)境雜質(zhì)時的自發(fā)熱效應(yīng)表

6、現(xiàn)進行了測試和分析。發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯場效應(yīng)器件在0.5 W功率下工作500 s過程中，器件的溝道電阻在器件處于 p型導(dǎo)電態(tài)和 n型導(dǎo)電態(tài)時會分別呈現(xiàn)工作時逐漸上升和下降的變化。通過對器件工作前后電中性點電壓的測量以及輸運機理的討論，得出這一溝道電阻不穩(wěn)定性的來源是石墨烯場效應(yīng)器件由于自發(fā)熱效應(yīng)造成溝道中p型雜質(zhì)解吸附，進而使石墨烯上載流子的濃度產(chǎn)生了變化。通過比較SiO2薄膜和AlN薄膜分別作為介電層的石墨烯場效應(yīng)器件在80 K至300 K

7、溫度區(qū)間下不同的溝道電阻變化規(guī)律及兩種薄膜的熱物性，表明通過將介電層替換為高導(dǎo)熱 AlN介電薄膜可以有效地抑制溝道電阻在長時間工作時的不穩(wěn)定變化。
　　在對金屬硫?qū)倩衔?SnS2-xSex場效應(yīng)器件的研究中，利用化學(xué)氣相輸運法制備了不同Se含量的SnS2-xSex層狀晶體，并對相應(yīng)的場效應(yīng)器件在90 K至295 K溫度區(qū)間下的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進行了表征。發(fā)現(xiàn)在90 K至295 K的整個溫度區(qū)間，隨著Se含量的升高，在x≥1.2

8、時，器件在柵壓為-50 V至50 V范圍內(nèi)基本無法實現(xiàn)“關(guān)斷”。溝道中晶體與器件金屬電極之間的接觸類型也會隨著Se含量的升高發(fā)生由近似歐姆接觸向肖特基接觸的轉(zhuǎn)變。從能帶結(jié)構(gòu)變化的角度出發(fā)，對Se含量變化與器件在不同溫度下性能變化的關(guān)系進行了解釋，表明Se含量的增加實際上屬于一種n型摻雜?；谒鶞y得的器件溝道電阻與溫度的關(guān)系，從實驗和理論計算兩方面分析了Se含量對晶體激活能大小的影響，表明利用類氫模型能夠較為準(zhǔn)確的描述Se含量變化對能帶結(jié)