石墨烯场效应晶体管的制备及性能研究

发布时间：2017-09-30 16:19

  本文关键词：石墨烯场效应晶体管的制备及性能研究

  更多相关文章： 石墨烯 场效应晶体管 一氧化硅(SiO) 电学性能

【摘要】：石墨烯作为一种新型的二维材料,自2004年第一次被发现后便引起了各领域科研工作者的广泛关注。这种只由一层碳原子构成的二维平面晶体具有很多优良的性质,比如：极高的载流子迁移率和饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运、优良的机械性能和热导率,以及良好的光学性能等。随着硅基集成电路的尺寸逐步逼近摩尔定律的极限,石墨烯有望取代硅成为下一代集成电路材料。而且由于极高的载流子迁移率,石墨烯很适合应用于射频器件。石墨烯场效应晶体管(GFET)是实现基于石墨烯的射频器件、传感器和集成电路的基本器件结构。因此,本论文深入分析了GFET的研究背景和现状,研究了GFET的制备工艺流程和电学性能,重点对GFET的介质层进行了研究。本文的主要研究内容和结果如下：(1)第一章我们介绍了石墨烯的基本性质和制备方法,概述了GFET的结构和工作原理,详细分析了GFET的应用领域和研究现状,以及目前研究存在的问题,引出了本论文的选题思路和主要研究内容。(2)第二章我们首先对石墨烯样品进行了拉曼表征。在测试范围内没有观察到D峰；G峰和2D峰的比值为0.216,说明石墨烯样品为高质量的单层石墨烯。然后介绍了本文采用的紫外光刻技术以及光刻胶的分类和各自的适用范围,探索了最佳的光刻工艺参数。接着采用传输线法(TLM)测试了不同金属与石墨烯之间的接触电阻,选用了Ti/Au作为石墨烯的欧姆接触金属。最后介绍了底栅GFET的制备流程和测量原理,制备了底栅GFET器件并进行了电学测试,提取了电学参数。在测试范围内没有观察到狄拉克点,主要是由于石墨烯表面残留的光刻胶以及石墨烯表面吸附的水和氧气对石墨烯进行了掺杂导致。(3)第三章首先阐述了顶栅介质层对顶栅GFET的重要性,对比了不同介质层制备方法对石墨烯电学性能的影响,介绍了简单且低损伤的热蒸发方法,选用易升华的一氧化硅(SiO)作为蒸发材料。通过底栅测试分析蒸发SiO前后底栅GFET性能的变化,说明热蒸发的SiO对石墨烯的影响很小。然后通过对Ti-SiO-Ti三明治结构进行了电学测试,结果表明30 nm厚的热蒸发SiO薄膜具有较高的介电常数(εr=5.3)和击穿场强(EB= 4.1 MV/cm),适合作为GFET的顶栅介质层。介绍了顶栅GFET的制备流程,制备了以热蒸发SiO为介质层的顶栅GFET并进行了电学测试,证明了热蒸发SiO足以作为顶栅GFET的介质层。低损伤的热蒸发方法也适用于制备基于其他脆弱的二维材料器件的介质层。最后尝试了制备将SiO同时作为牺牲层和介质层的器件,为优化和简化GFET的工艺流程提供了新视角。结果表明SiO可以起到牺牲层的作用,避免了石墨烯与光刻胶的接触,降低了金属与石墨烯间的接触电阻。但由于SiO与石墨烯的热膨胀系数不同,在石墨烯沟道上的SiO薄膜容易发生形变,导致器件失效。我们通过改变工艺解决了SiO形变的问题。(4)第四章的主要内容是对本论文进行总结概括,指出论文的创新点,并对今后拟开展的新的研究工作进行展望。
【关键词】：石墨烯 场效应晶体管 一氧化硅(SiO) 电学性能
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386;O613.71
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 石墨烯概述13-18
• 1.1.1 石墨烯的结构和基本性质13-15
• 1.1.2 石墨烯的制备方法15-17
• 1.1.3 各种制备方法的对比17-18
• 1.2 石墨烯场效应晶体管(GFET)的结构和原理18-20
• 1.2.1 GFET的结构18-19
• 1.2.2 GFET的工作原理19-20
• 1.3 GFET的应用和研究现状20-26
• 1.3.1 GFET的应用概述20-21
• 1.3.2 射频(RF)GFET21-22
• 1.3.3 GFET集成电路22-23
• 1.3.4 基于GFET的新型器件23-24
• 1.3.5 GFET电学特性的研究现状24-26
• 1.4 本论文的选题思路及主要的研究内容26-28
• 参考文献28-33
• 第二章 底栅GFET的制备及电学测试33-55
• 2.1 石墨烯样品的表征33-34
• 2.1.1 拉曼表征石墨烯的原理33-34
• 2.1.2 本实验所用样品的拉曼表征结果34
• 2.2 紫外光刻的原理和工艺优化34-40
• 2.2.1 紫外光刻的原理34-36
• 2.2.2 光刻胶介绍和光刻工艺优化36-40
• 2.3 金属-石墨烯欧姆接触40-45
• 2.3.1 金属-石墨烯欧姆接触的测试方法40-41
• 2.3.2 金属-石墨烯欧姆接触的样品制备41-42
• 2.3.3 金属-石墨烯欧姆接触的实验结果42-45
• 2.4 底栅GFET的制备流程和性能测试45-51
• 2.4.1 底栅GFET的工艺流程45-46
• 2.4.2 测试设备和测试条件46-48
• 2.4.3 GFET电学参数的计算48-50
• 2.4.4 GFET的电学测试及结果分析50-51
• 2.5 本章小结51-52
• 参考文献52-55
• 第三章 热蒸发SiO作介质层的顶栅GFET的制备及电学测试55-75
• 3.1 热蒸发SiO对GFET性能的影响56-58
• 3.2 SiO薄膜的电学性质58-59
• 3.3 顶栅GFET的制备流程和性能测试59-63
• 3.3.1 顶栅GFET的制备流程59-61
• 3.3.2 顶栅GFET的测试与结果分析61-63
• 3.4 SiO同时作为牺牲层和介质层的器件63-72
• 3.4.1 湿法刻蚀SiO63-64
• 3.4.2 SiO同时作为牺牲层和介质层的器件的工艺流程64-66
• 3.4.3 SiO同时作为牺牲层和介质层的器件的电学测试66-69
• 3.4.4 SiO同时作为牺牲层和介质层造成的问题及解决办法69-72
• 3.5 本章小结72-73
• 参考文献73-75
• 第四章 总结与展望75-77
• 4.1 论文工作总结75
• 4.2 本论文的主要创新点75
• 4.3 展望75-77
• 致谢77-79
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况79-80
• 学位论文评阅及答辩情况表80

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;科学家首次用纳米管制造出石墨烯带[J];电子元件与材料;2009年06期

2 ;石墨烯研究取得系列进展[J];高科技与产业化;2009年06期

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本开发出在蓝宝石底板上制备石墨烯的技术[J];硅酸盐通报;2009年04期

5 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期

6 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期

7 ;纳米中心石墨烯相变研究取得新进展[J];电子元件与材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期

9 张伟娜;何伟;张新荔;;石墨烯的制备方法及其应用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年

3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年

7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年

2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年

3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年

4 本报记者 李好宇 张們捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年

5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年

6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年

7 记者 谢荣　通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年

8 本报记者 纪爱玲;石墨烯：市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年

9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年

10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年

2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年

5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年

6 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年

7 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年

8 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年

9 刘明凯;带状石墨烯纳米复合材料的制备及其性能研究[D];复旦大学;2014年

10 刘勇;智能化及掺杂改性石墨烯的研究及应用[D];复旦大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年

2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年

3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年

4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年

5 金丽玲;功能化石墨烯的酶学效应研究[D];苏州大学;2012年

6 黄凌燕;石墨烯拉伸性能与尺度效应的研究[D];华南理工大学;2012年

7 刘汝盟;石墨烯热振动分析[D];南京航空航天大学;2012年

8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年

9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年

，

本文编号：949199