化学气相沉积法生长二维硫化钼及其在晶体管中的应用
发布时间：2020-09-08 12:49
近年来,以石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDCs)为代表的二维层状材料因其独特的层状结构和光学、电学性质引起了极大的研究热情。相较于零带隙的本征石墨烯,因层数效应,TMDCs拥有1.0～2.0eV的带隙,可以在逻辑器件和光电器件领域有更广阔的应用。与其他制备方法相比,化学气相沉积(CVD)法能可控且高效地生长质量较高的TMDCs材料。本论文使用CVD法制备了单层二硫化钼(MoS2)及不同成分的MoS2(1-x)Se2x合金,并探索了它们在场效应晶体管中的应用,取得如下主要创新成果:(1)利用双管式CVD法在SiO2/Si衬底上生长了 MoS2圆形晶粒,这不同于通常文献报道的MoS2三角形晶粒。改变前驱体三氧化钼(MoO3)的加热温度,可以使MoS2的晶粒形状从圆形演变为三角形。利用拉曼(Raman)光谱、荧光(PL)光谱、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段,证明MoS2圆形晶粒为单层的半导体2H相。单层MoS2圆形晶粒的生长机理可归纳为:挥发的前驱体在衬底表面反应成核,随着小石英管内前驱体浓度的不断增加,反应从热力学控制转变为动力学控制,MoS2的生长不再遵循其晶体对称性,而是呈现各个方向生长速率一致的特性,最终生长为圆形的晶粒。通过调控生长机制和优化生长参数,均匀生长出面积较大的单层MoS2薄膜。(2)利用CVD法在SiO2/Si衬底上生长了成分和发光性能连续可调的单层MoS2(1-x)Se2x合金晶粒及其薄膜。通过改变参与反应的硫(S)粉和硒(Se)粉的比例以及两者的加热温度和生长气氛,实现了发光峰位从675 nm到810 nm之间的调控。实验发现,S比例和加热温度的升高均有利于连续薄膜的形成。利用高分辨扫描俄歇电子能谱(AES),表征了合金的成分及其分布。凭借AES的高度聚焦的电子束束斑,发现了 MoS2(1-x)Se2x合金晶粒中的成分不均匀性。(3)将MoS2作为Ge晶体管沟道的钝化层,构筑了 MoS2/Ge晶体管。通过理论分析和紫外光电子能谱(UPS)的测试,发现MoS2的价带顶和导带底与Ge的价带顶和导带底存在合适的能量差,可对Ge沟道内的电子或空穴产生限域作用。此外,由于MoS2表面没有悬挂键,能够有效地钝化Ge沟道和介电层Al2O3的界面,减少载流子在界面处的复合。Ge/MoS2晶体管的性能测试表明,MoS2的加入使晶体管的电子和空穴迁移率、工作电流和稳定性都有了显著的提高。(4)利用光刻技术和剥离技术(lift-off),构筑了以MoS2薄膜为沟道,Au/Ti(60nm/5nm)为电极的背栅结构场效应晶体管,并实现了较大规模的器件阵列的制备。MoS2的结构和性能在器件制备前后进行了表征对比,结果表明光刻过程不会对MoS2的性能产生明显的影响。研究表明,MoS2薄膜晶体管表现为明显的n型沟道特征,其平均电子迁移率为4.75 cm2V-1s-1,最高电子迁移率达到17.6cm2V-1s-1,开关比分布在104～106之间,阈值电压分布在10～30V之间。而且,实验发现由多晶MoS2薄膜作为沟道的晶体管在不同的偏压扫描下呈现出不同的电阻态,相应的高低阻态的比值在103～105之间,具有明显的忆阻效应。其忆阻效应的起源可归结于MoS2中的S空位在电场作用下的迁移以及与晶界的相互作用。忆阻效应的存在表明多晶MoS2薄膜有可能用于制备新型的存储器件。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ136.12;TN386
【部分图文】：
物）也有相似的性质［６“７］。比较特殊的是，在少层的硒化钼（ＭｏＳｅ２）中，由于逡逑它的间接能带和直接能带几乎是简并的，因此在少量几层ＭｏＳｅ２中也能观测到逡逑可观的ＰＬ发射，如图１．３邋ａ所示［｜８］。理论计算和实验结果均显示单层ＴＭＤＣｓ逡逑具有很高的激子结合能，在０．５－１邋ｅＶ范围内这来源于单层材料中静电屏蔽逡逑的减弱。除此之外，在脉冲激光的激发下，高阶的准粒子，包括三激子、双激子逡逑能在低温甚至常温下被观测到。研究ｔ现，单层ＴＭＤＣｓ材料中这些准粒子的结逡逑合能比传统准二维半导体内的高一个数量级左右［２４＿２６］。如此高的激子结合能带来逡逑了许多独特的光学特性，比如单层ＴＭＤＣｓ表现出独特的光学吸收和光电响应以逡逑及很短的辐射寿命（？１０－１００邋ｐｓ）。在单层以及少量奇数层的ＭｏＳ２中，研究者们逡逑还发现了二阶非线性光学响应现象［２７］，这是由于在单层和少量奇数层材料中空间逡逑反演对称性被破坏了。逡逑－逦７逦－逦■逦逦逡逑■邋，ｒｎ逦１逦（ａ）逦＇逦？逦（ｂ）逦１９＊邋＼逦（ｃ）逡逑Ａ＂
辐射复合指数级增长ＰＬ强度减弱。而在两层或少层ＭｏＳｅ２中，现象刚好相反，逡逑温度升高带来的层间热膨胀使层与层之间的耦合减弱，间接能带转化为了与之几逡逑乎简并的直接能带，因此随着温度的升高，ＰＬ强度反而也随之增大（图１．３邋ｂ）逡逑［１８］逡逑Ｏ逡逑（ａ）邋—＾ｓｉｎｇｌｅｉａｙ0ｒ￣１逦＾邋（ｂ）邋３邋Ａ邋Ａ邋Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｌａｙｅｒ邋■逡逑ｍｌ逦■邋Ｆｅｗ邋Ｌａｙｅｒ逡逑１邋Ａ逦＂逡逑Ｉ邋Ａ逡逑…．ｕ：．：、逡逑１．４逦１．５逦１．６逦１．７逦１００逦２００邋＃逦３００逦４００逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逦Ｔ邋（Ｋ）逡逑（ｃ）邋Ｓｔｒａｉｎｅｄ邋ｍｏｎｏｌａｙｅｒ逦含逦ｅ＝ｏ％．、逡逑ＭｏＳ２逦Ｓ邋＾逦０．５％邋Ｘ＼逡逑0逡逑１．６邋１．８逦２逡逑ｐｈｏｔｏｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逡逑图１．３（ａ）单层（红色）、三层（蓝色）、块体Ｃ绿色）ＭｏＳｅ２的室温ＰＬ光谱［Ｉ８１。（ｂ）单层（蓝逡逑色三角形）和九层（红色正方形）ＭｏＳｅ２ＰＬ强度的温度依赖性［１８］。（ｃ）在受到０－１．５％的拉逡逑应力下，单层ＭｏＳ２＆ＰＬ光谱变化［２８］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋（ａ）邋Ｍｅａｓｕｒｅｄ邋ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ邋ｏｎ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ邋（ｒｅｄ），邋ｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒ逡逑（ｂｌｕｅ）
电子显微镜包括扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和透射电子显微镜（ＴＥＭ），是常逡逑规的表征ＴＭＤＣｓ形貌、成分和晶体结构的手段。ＴＭＤＣｓ在电子束的激发下会逡逑发射出二次电子，因此在ＳＥＭ中和衬底有着明显的衬度，如图１．５邋ａ所示【４７】。利逡逑用ＳＥＭ，我们可以看到ＴＭＤＣｓ晶粒的形状、尺寸、成核密度、层数、晶界以及逡逑边缘的精细结构。单层ＴＭＤＣｓ仅由三个原子层构成，因此电子很容易透过，这逡逑为ＴＥＭ的制样和测试提供了极大的方便。利用高分辨的ＴＥＭ和扫描透射显微逡逑镜（ＳＴＥＭ）可以在某些卷曲的边缘读出ＴＭＤＣｓ的层数，在平面区域获得原子逡逑的排列信息（图１．５邋ｂ）邋［４８］，直观地看到缺陷和晶界的结构（图１．５邋ｄ）邋［４８］。选区逡逑电子衍射（ＳＡＥＤ）可以用来判断ＴＭＤＣｓ的晶体取向和晶型，比如单晶的２Ｈ－ＭｏＳ２逡逑的衍射斑点是一套六次对称的斑点，如图１．５邋ｃ［４８１。如果几个晶粒相连或者是多逡逑７逡逑
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ136.12;TN386
【部分图文】：
物）也有相似的性质［６“７］。比较特殊的是，在少层的硒化钼（ＭｏＳｅ２）中，由于逡逑它的间接能带和直接能带几乎是简并的，因此在少量几层ＭｏＳｅ２中也能观测到逡逑可观的ＰＬ发射，如图１．３邋ａ所示［｜８］。理论计算和实验结果均显示单层ＴＭＤＣｓ逡逑具有很高的激子结合能，在０．５－１邋ｅＶ范围内这来源于单层材料中静电屏蔽逡逑的减弱。除此之外，在脉冲激光的激发下，高阶的准粒子，包括三激子、双激子逡逑能在低温甚至常温下被观测到。研究ｔ现，单层ＴＭＤＣｓ材料中这些准粒子的结逡逑合能比传统准二维半导体内的高一个数量级左右［２４＿２６］。如此高的激子结合能带来逡逑了许多独特的光学特性，比如单层ＴＭＤＣｓ表现出独特的光学吸收和光电响应以逡逑及很短的辐射寿命（？１０－１００邋ｐｓ）。在单层以及少量奇数层的ＭｏＳ２中，研究者们逡逑还发现了二阶非线性光学响应现象［２７］，这是由于在单层和少量奇数层材料中空间逡逑反演对称性被破坏了。逡逑－逦７逦－逦■逦逦逡逑■邋，ｒｎ逦１逦（ａ）逦＇逦？逦（ｂ）逦１９＊邋＼逦（ｃ）逡逑Ａ＂
辐射复合指数级增长ＰＬ强度减弱。而在两层或少层ＭｏＳｅ２中，现象刚好相反，逡逑温度升高带来的层间热膨胀使层与层之间的耦合减弱，间接能带转化为了与之几逡逑乎简并的直接能带，因此随着温度的升高，ＰＬ强度反而也随之增大（图１．３邋ｂ）逡逑［１８］逡逑Ｏ逡逑（ａ）邋—＾ｓｉｎｇｌｅｉａｙ0ｒ￣１逦＾邋（ｂ）邋３邋Ａ邋Ａ邋Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｌａｙｅｒ邋■逡逑ｍｌ逦■邋Ｆｅｗ邋Ｌａｙｅｒ逡逑１邋Ａ逦＂逡逑Ｉ邋Ａ逡逑…．ｕ：．：、逡逑１．４逦１．５逦１．６逦１．７逦１００逦２００邋＃逦３００逦４００逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逦Ｔ邋（Ｋ）逡逑（ｃ）邋Ｓｔｒａｉｎｅｄ邋ｍｏｎｏｌａｙｅｒ逦含逦ｅ＝ｏ％．、逡逑ＭｏＳ２逦Ｓ邋＾逦０．５％邋Ｘ＼逡逑0逡逑１．６邋１．８逦２逡逑ｐｈｏｔｏｎ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（ｅＶ）逡逑图１．３（ａ）单层（红色）、三层（蓝色）、块体Ｃ绿色）ＭｏＳｅ２的室温ＰＬ光谱［Ｉ８１。（ｂ）单层（蓝逡逑色三角形）和九层（红色正方形）ＭｏＳｅ２ＰＬ强度的温度依赖性［１８］。（ｃ）在受到０－１．５％的拉逡逑应力下，单层ＭｏＳ２＆ＰＬ光谱变化［２８］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋（ａ）邋Ｍｅａｓｕｒｅｄ邋ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ邋ｏｎ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ邋（ｒｅｄ），邋ｔｈｒｅｅ－ｌａｙｅｒ逡逑（ｂｌｕｅ）
电子显微镜包括扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和透射电子显微镜（ＴＥＭ），是常逡逑规的表征ＴＭＤＣｓ形貌、成分和晶体结构的手段。ＴＭＤＣｓ在电子束的激发下会逡逑发射出二次电子，因此在ＳＥＭ中和衬底有着明显的衬度，如图１．５邋ａ所示【４７】。利逡逑用ＳＥＭ，我们可以看到ＴＭＤＣｓ晶粒的形状、尺寸、成核密度、层数、晶界以及逡逑边缘的精细结构。单层ＴＭＤＣｓ仅由三个原子层构成，因此电子很容易透过，这逡逑为ＴＥＭ的制样和测试提供了极大的方便。利用高分辨的ＴＥＭ和扫描透射显微逡逑镜（ＳＴＥＭ）可以在某些卷曲的边缘读出ＴＭＤＣｓ的层数，在平面区域获得原子逡逑的排列信息（图１．５邋ｂ）邋［４８］，直观地看到缺陷和晶界的结构（图１．５邋ｄ）邋［４８］。选区逡逑电子衍射（ＳＡＥＤ）可以用来判断ＴＭＤＣｓ的晶体取向和晶型，比如单晶的２Ｈ－ＭｏＳ２逡逑的衍射斑点是一套六次对称的斑点，如图１．５邋ｃ［４８１。如果几个晶粒相连或者是多逡逑７逡逑
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 赵峰;杨艳丽;;CVD技术的研究与进展[J];陕西国防工业职业技术学院学报;2009年03期
2 苏f惞
本文编号：2814200
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2814200.html
