石墨烯场效应晶体管的制备与掺杂方法研究

发布时间：2017-10-30 05:22

  本文关键词：石墨烯场效应晶体管的制备与掺杂方法研究

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【摘要】：石墨烯是一种新型的二维纳米材料,具有出色的电学性能,理论上载流子迁移率可以达到200000 cm~2/(V×s),是硅中电子迁移率的近200倍。完美的晶格结构使得本征石墨烯中的电子传输几乎不受散射,费米速度接近光速的三百分之一。出色的性能使得石墨烯在很多方面都有潜在应用,例如传感器、晶体管等。本文基于传统湿法转移工艺建立了适合于实验室操作的石墨烯湿法转移工艺标准流程,有效解决了转移过程中的石墨烯破损、背面残留石墨烯等问题。针对石墨烯转移中易出现的残胶问题,建立了PMMA覆盖率指数(CovPRP)对残胶量进行定量表征,通过实验研究了后烘温度对石墨烯残胶的影响。研究发现后烘温度越高PMMA覆盖率指数(CovPRP)越大,另外,AFM扫描也显示后烘以后石墨烯表面残胶量增大。在此基础上提出了能有效减少残胶的Heat-Free-Transfer工艺,该工艺在湿法转移工艺标准流程的基础上摒弃了后烘工艺过程,同时对湿法去胶工艺进行调整,最终获得了结构完整,质量均匀,残胶量少的石墨烯样片。在完成石墨烯转移的基础上进行了两种器件的制备。一种是背栅结构的石墨烯场效应晶体管(GFET),这种背栅GFET采用重掺杂的硅作为背栅电极;另一种是埋栅结构的射频GFET,采用电子束光刻定义栅条宽度为80nm,30nm氧化铪HfO2做栅介质,钛/金做源漏电极。电学测试发现两种GFET的狄拉克点电压VDirac都大于+30V,石墨烯为P型掺杂状态。利用矢量网络分析仪测试射频GFET的S参数并进行到h21的转换,获得器件截止频率为1.09Ghz,去除器件寄生参数后的截止频率达到4.5Ghz。为了利用Si_3N_4对石墨烯进行掺杂,首先确定了适合于在石墨烯上生长氮化硅薄膜的PECVD参数:功率10W,温度200℃,压强55Pa,SiH4 40sccm/NH3 40sccm,N2 150sccm。按照此参数氮化硅沉积速率可以控制在1?/s以下,然后在背栅GFET上沉积25nm Si_3N_4薄膜对石墨烯进行掺杂。拉曼光谱表征发现沉积Si_3N_4后石墨烯D峰强度较小,G峰向低波数方向移动,电学测试观察到GFET的狄拉克点电压VDirac左移至-25V,相比掺杂前的VDirac变化超过55V,表明氮化硅对石墨烯引入了N型掺杂。19天的跟踪测试发现背栅GFET的VDirac发生了退化,并且VDirac逐渐趋向于-5V,表明氮化硅掺杂石墨烯具有一定的稳定性。研究发现石墨烯上的PECVD氮化硅可以对石墨烯引入N型掺杂,并且掺杂具有一定的稳定性。
【关键词】：石墨烯 晶体管 PECVD 掺杂 氮化硅
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯的性质11-13
• 1.2.1 石墨烯的结构11-12
• 1.2.2 石墨烯的物理性质12-13
• 1.3 石墨烯国内外的研究现状13-15
• 1.3.1 石墨烯场效应晶体管的研究现状13-14
• 1.3.2 石墨烯掺杂的研究现状14-15
• 1.4 论文的研究意义和内容15-17
• 1.4.1 论文的研究意义15
• 1.4.2 本文的主要工作15-17
• 第二章 石墨烯的制备与表征17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 石墨烯的制备17-20
• 2.2.1 微机械剥离法17-18
• 2.2.2 热分解碳化硅法18-19
• 2.2.3 还原氧化石墨烯法19
• 2.2.4 化学气相淀积法19-20
• 2.3 石墨烯的表征20-24
• 2.3.1 光学显微镜20-21
• 2.3.2 原子力显微镜21-22
• 2.3.3 拉曼光谱22-24
• 2.3.4 其他表征方法24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 石墨烯湿法转移工艺研究25-35
• 3.1 引言25
• 3.2 石墨烯湿法转移工艺标准流程25-27
• 3.3 后烘温度对PMMA残留的影响27-31
• 3.3.1 光学显微镜对PMMA残留的表征27-29
• 3.3.2 PMMA覆盖率指数的定量表征29-31
• 3.4 石墨烯HEAT-FREE-TRANSFER工艺31-33
• 3.5 本章小结33-35
• 第四章 石墨烯MOSFET的制备与性能测试分析35-52
• 4.1 引言35
• 4.2 石墨烯MOSFET的结构及原理35-36
• 4.3 石墨烯MOSFET的制备36-42
• 4.3.1 背栅结构MOSFET的制备36-38
• 4.3.2 射频石墨烯晶体管的制备38-42
• 4.4 石墨烯MOSFET的性能测试和分析42-50
• 4.4.1 背栅GFET的测试分析42-45
• 4.4.2 射频GFET的测试分析45-50
• 4.5 本章小结50-52
• 第五章N型掺杂石墨烯及其场效应晶体管52-74
• 5.1 引言52
• 5.2 PECVD及氮化硅生长参数研究52-63
• 5.2.1 单一条件影响下的成膜分析54-57
• 5.2.2 约化功率密度综合分析模型57-61
• 5.2.3 PECVD生长氮化硅关键参数分析61-63
• 5.3 氮化硅掺杂石墨烯及其场效应晶体管63-73
• 5.3.1 氮化硅掺杂石墨烯的XPS分析63-64
• 5.3.2 氮化硅掺杂石墨烯的Raman分析64-69
• 5.3.3 氮化硅掺杂GFET的稳定性分析69-73
• 5.3.4 氮化硅掺杂石墨烯的原理分析73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 总结与展望74-75
• 6.1 总结74
• 6.2 展望74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-80
• 攻硕期间获得的研究成果80-81

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