單層二硫化鉬場效應晶體管性能影響因素的研究.pdf

1、隨著硅基器件納米化過程日益逼近其工藝極限，二維納米材料已然成為替代硅材料的研究重點。單層二硫化鉬（MoS2）作為一種典型的過渡族金屬二硫化物，不僅擁有類石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)，且能帶中有合適的直接帶隙，已成為硅基器件溝道材料潛在替代者之一。目前，單層MoS2已在場效應晶體管器件中展現(xiàn)出很大的應用潛質(zhì)。在通往單層MoS2基納米器件的商用道路中，諸如電極接觸等與器件相關(guān)的基礎(chǔ)問題仍待解決。源于納米器件的尺度特性，晶體管結(jié)構(gòu)中各個界面對晶體管性

2、能的影響同樣可能有別于傳統(tǒng)晶體管相關(guān)物理學。本文從晶體管兩個重要界面討論了這些因素對MoS2基場效應晶體管性能的影響：一是金屬電極和單層MoS2界面，系統(tǒng)研究了界面應力匹配對金屬電極-MoS2界面特性的影響；二是討論了柵極絕緣層和單層MoS2界面，研究了不同介電性能的柵極絕緣層對其輸運性能的影響。兩個重要界面的討論對應了單層MoS2基場效應晶體管性能優(yōu)化的兩個重要方向，有利于加深對MoS2場效應晶體管基礎(chǔ)問題的認識。
　　在第一章

3、中，本論文首先概述了常見的二維材料，詳細介紹了 MoS2的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及相關(guān)應用，指出了MoS2場效應晶體管中存在的金屬接觸問題和溝道散射問題，闡明了本課題的研究目的和意義。第二章簡要介紹了計算過程中所用到的密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法以及VASP、ATK軟件。第三章和第四章詳細介紹了我們針對MoS2場效應晶體管中存在的兩類問題開展的研究工作。
　　第三章系統(tǒng)闡述了MoS2場效應晶體管中金屬電極接觸的應力效應。利用密度

4、泛函理論，我們厘清了界面失配應力對 Au(111)/MoS2界面特性的影響，同時考慮將應力作為一種調(diào)控手段，分析了不同失配應力下Au(111)/MoS2界面特性的變化規(guī)律。我們的研究表明：（1） Au基底或單層MoS2處于壓縮應變狀態(tài)時，界面間距、界面隧穿勢壘、肖特基勢壘均比無應力體系大，且隨著壓縮程度的加劇逐漸增加；而界面電荷密度卻比無應力體系小，且隨著壓縮程度的加劇逐漸降低。因此考慮兩者接觸時應避免使其處于壓縮應變狀態(tài)。（2）拉伸應

5、變狀態(tài)下，我們發(fā)現(xiàn)對Au基底施加較小的拉伸應力有利于獲得更好的界面接觸；對于單層MoS2來說，雖然更大的拉伸應變下能獲得更優(yōu)的界面接觸，但是單層MoS2的帶隙寬度是隨著拉伸程度的增加而降低的，我們選擇MoS2作為器件的溝道材料正是由于其具有合適的帶隙。因此，對單層MoS2施加較小的拉伸應變，既能優(yōu)化界面接觸又能使其保持相當?shù)膸秾挾取?br>　　第四章是基于對柵極絕緣層-MoS2溝道界面的討論。我們分析了不同介電性能的柵極絕緣層對MoS

6、2場效應晶體管輸運性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在短溝道彈道輸運條件下，柵極絕緣層的介電性能對器件的載流子遷移率無影響；但是，高介電常數(shù)的柵極絕緣層能有效提高器件的電流開關(guān)比，同時可以降低亞閾值擺幅。原因是高介電常數(shù)的柵極絕緣層能恰當?shù)卣{(diào)節(jié)MoS2電子態(tài)在器件偏壓窗口或偏壓窗口附近的電子態(tài)密度分布。
　　基于理論設計層面，本論文針對MoS2場效應晶體管中存在的金屬接觸問題和溝道散射問題，重點討論了金半接觸應力工程和柵極介電工程在單層MoS