二維層狀晶體場(chǎng)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(jìn)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衔铮蚱渚哂袃?yōu)異的電子遷移率、獨(dú)特的光電性能、原子級(jí)厚度等特點(diǎn)，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(duì)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(huì)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(duì)器件進(jìn)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(duì)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(jìn)行研究，無(wú)疑有助于未來這一類新興電子器件的實(shí)際應(yīng)用和推廣。而在種類繁多的微電子器件中，場(chǎng)效應(yīng)器件是一種基礎(chǔ)性器件。因此，針對(duì)二維層狀材料，選取場(chǎng)效應(yīng)器件作為研究對(duì)象來對(duì)微電子器件的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究，是非常必要的。
　　針對(duì)這一問題，本論文分別對(duì)兩種典型的二維層狀材料場(chǎng)效應(yīng)器件，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件和金屬硫?qū)倩衔?SnS2-xSex場(chǎng)效應(yīng)器件的溫度效應(yīng)，有重點(diǎn)地

3、展開了一些研究工作。通過對(duì)石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件溫度效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)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(shí)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(yùn)法合成了不同化學(xué)組分比的 SnS2-xSex層狀晶體，對(duì)相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)器件在不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進(jìn)行了系統(tǒng)的表征和分析。通過對(duì)輸運(yùn)特性的

4、分析和相關(guān)理論計(jì)算，解釋了S/Se比例對(duì)晶體在不同溫度下輸運(yùn)特性和晶體激活能影響。
　　在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件的溫度效應(yīng)問題上，首先對(duì)Si(001)上高導(dǎo)熱AlN薄膜的射頻反應(yīng)濺射制備工藝進(jìn)行了研究。通過對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)，分析了反應(yīng)濺射氣氛中Ar/N2流量比對(duì)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(duì)不同襯底溫度下生長(zhǎng)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(dá)26.7 W/mK的高導(dǎo)熱介電層薄膜。
　　在實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱AlN介電層薄膜制備的基礎(chǔ)上，對(duì)石墨烯場(chǎng)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(shí)的自發(fā)熱效應(yīng)表

6、現(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試和分析。發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯場(chǎng)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(shí)會(huì)分別呈現(xiàn)工作時(shí)逐漸上升和下降的變化。通過對(duì)器件工作前后電中性點(diǎn)電壓的測(cè)量以及輸運(yùn)機(jī)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(chǎng)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(jìn)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(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的不穩(wěn)定變化。
　　在對(duì)金屬硫?qū)倩衔?SnS2-xSex場(chǎng)效應(yīng)器件的研究中，利用化學(xué)氣相輸運(yùn)法制備了不同Se含量的SnS2-xSex層狀晶體，并對(duì)相應(yīng)的場(chǎng)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(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)在90 K至295 K的整個(gè)溫度區(qū)間，隨著Se含量的升高，在x≥1.2

8、時(shí)，器件在柵壓為-50 V至50 V范圍內(nèi)基本無(wú)法實(shí)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(huì)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(duì)Se含量變化與器件在不同溫度下性能變化的關(guān)系進(jìn)行了解釋，表明Se含量的增加實(shí)際上屬于一種n型摻雜?；谒鶞y(cè)得的器件溝道電阻與溫度的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面分析了Se含量對(duì)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(duì)能帶結(jié)