基于二维层状半导体黑磷的高性能电子器件研究

发布时间：2020-11-21 21:38

　　 黑磷是一种单元素二维层状半导体材料,具有p型导电占主导的双极导电特性,室温下空穴场效应迁移率达1000 cm~2/V×s,远大于二硫化钼等过渡金属硫族化合物。黑磷是一种直接带隙半导体,且带隙大小随层数可调,体材料带隙约为0.3 eV,单层带隙为1.73 eV,填补了二维材料体系中从零带隙石墨烯到宽带隙过渡金属硫族化合物之间的带隙空缺。此外,黑磷还具有面内各向异性,这些优异的特性为黑磷在未来高性能电子和光电子器件领域的应用奠定了基础。本文主要基于二维层状半导体材料黑磷,制备出一系列高性能电子器件,对黑磷的基本材料与器件输运特性进行了详细研究,并采取了多种方法来提升黑磷器件性能,主要包括以下几个方面:一、黑磷背栅器件制备及界面优化:制备了基于高κ栅介质HfO_2的黑磷背栅场效应晶体管,研究了黑磷与栅介质的界面特性及在低温/高场下的输运特性,并和基于SiO_2的黑磷晶体管性能进行比较。研究发现基于HfO_2的黑磷晶体管相较于SiO_2具有更好性能,其中场效应迁移率、开态电流密度和饱和速度提升了50%,界面陷阱密度减小约8倍,且在所有温度条件下均优于基于SiO_2的黑磷晶体管。基于HfO_2的100 nm沟长黑磷晶体管,在低温20 K下开态电流密度高达906mA/mm,其饱和速度为1.1×10~7cm/s,为论文发表时电流密度最高的黑磷晶体管。这些结果表明高κ介质HfO_2可以有效降低黑磷沟道与栅介质的界面散射,也表明黑磷材料具有优异的电流承载能力及高场输运特性。二、黑磷射频器件制备及结构优化:黑磷在大气环境中不稳定,利用原子层沉积的HfO_2和电子束蒸发的Al_2O_3,对黑磷表面进行钝化,两者都可以提高黑磷在空气中的稳定性。基于这两种栅介质,我们制备了黑磷顶栅射频场效应晶体管,并比较了两者的射频特性。基于原子层沉积HfO_2的黑磷射频晶体管,其截止频率f_T=2.2GHz,最大振荡频率f_(max)=8 GHz。基于电子束蒸发Al_2O_3的黑磷射频晶体管,其截止频率f_T=3 GHz,最大振荡频率f_(max)=12 GHz,性能提升约50%。为继续提高黑磷晶体管的射频特性,我们设计了新颖的嵌入栅结构,有效地避免了沉积栅介质时对黑磷沟道的影响。基于嵌入栅结构的黑磷晶体管,其直流特性与背栅晶体管性能相当,射频特性也得到大幅提升,常温下截止频率f_T=8 GHz,最大振荡频率f_(max)=17 GHz。在低温20 K下,其截止频率f_T=13.5 GHz,最大振荡频率f_(max)=31 GHz,是目前文献报道的黑磷射频器件的最大值。在嵌入栅射频晶体管的基础上,首次实现了运行频率达2 GHz的混频器。三、黑磷/砷化铟异质结隧穿器件:通过理论分析,载流子有效质量小、禁带宽度窄的直接带隙半导体材料有利于带间隧穿,而由电子亲和势不同的材料构成的异质结可有效降低隧穿势垒高度,进一步增大带间隧穿几率。基于以上分析,我们把新型二维材料黑磷与传统三五族材料砷化铟结合,构建出垂直堆叠的异质结隧穿器件。这两种材料均为窄直接带隙半导体,载流子有效质量小,导电类型互补,且两者在界面形成裂隙型能带,满足带间隧穿条件。黑磷/砷化铟异质结隧穿晶体管相较于黑磷晶体管,常温下亚阈值摆幅提升120%,并呈现出整流特性。在低温条件下,同时发现了负电阻和负跨导两个量子隧穿现象,并可通过栅极电压和漏极电压连续调控。利用能带理论对其进行了详细的机理分析,这对于带间隧穿晶体管的科学认识和技术应用具有重要意义。这些结果提高了我们对黑磷电子器件物理现象的理解与认知,也表明黑磷在未来高性能电子器件领域极具应用前景。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386;O613.62
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 选题背景与研究意义
    1.1 二维材料的发展历程
    1.2 黑磷材料的基本性质
    1.3 黑磷器件的研究进展
    1.4 本论文的主要内容
2 黑磷器件制备与器件物理
    2.1 黑磷材料制备技术
    2.2 黑磷器件制备流程
    2.3 黑磷器件测试方法
    2.4 MOSFET器件物理
    2.5 本章小结
3 基于高κ栅介质的黑磷器件
    3.1 黑磷器件界面优化
    3.2 黑磷双极性电路
    3.3 黑磷各向异性
    3.4 本章小结
4 黑磷射频器件
    4.1 黑磷顶栅射频器件
    4.2 黑磷嵌入栅射频器件
    4.3 黑磷混频器
    4.4 本章小结
5 黑磷/砷化铟异质结器件
    5.1 带间隧穿器件的基本原理
    5.2 黑磷/砷化铟异质结的制备
    5.3 黑磷/砷化铟异质结电学特性
    5.4 本章小结
6 总结与展望
    6.1 本文总结
    6.2 下一步的工作和展望
致谢
参考文献
附录 攻读博士学位期间发表论文目录

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本文编号：2893634