二维电子材料及电子器件的初步研究

发布时间：2020-10-29 14:58

　　 由于传统硅基器件尺寸不断减小,短沟道效应加重,摩尔定律逐渐失效,为了进一步提升器件的性能,研究者开始寻找新型的电子材料。二维电子材料凭借其独特原子级别的厚度及出色的栅控能力等优势脱颖而出,成为下一代半导体材料的有力竞争者,其在晶体管领域、光电探测器领域以及存储器领域都有巨大的应用潜力。但是,二维电子材料以及二维电子器件存在的一些问题限制了它们的应用范围,比如实现二维电子材料薄膜的导电类型有效调控,光电响应波长拓宽,器件工艺优化和器件可靠性等问题。本文将围绕这三个方向进行研究。首先,通过元素掺杂技术,不仅调控了MoSe_2的导电类型,也拓宽了MoSe_2的光电响应波长范围。本文通过化学气相输运法(CVT)成功实现过渡族金属杂质V,Fe,Nb对半导体材料MoSe_2的掺杂。由于掺入V,Nb杂质,MoSe_2的导电类型由本征的n型转化为p型。通过p型掺V的MoSe_2和n型本征的MoSe_2的垂直堆垛,制备出了基于MoSe_2的同质p-n结二极管,在45 V正反偏压下的电流比为340,证明其具有良好的整流性能。同时发现,相比于本征MoSe_2的光电响应最大波长785 nm,元素掺杂拓宽了本征MoSe_2的光电响应波段,掺V,Fe,Nb的MoSe_2在1550 nm波段均有光电响应,并且掺V的MoSe_2在室温下的光电响应最大波长达到10?m。其次,研究了石墨烯忆阻器的温度可靠性,证实了石墨烯忆阻器在100 K到570 K温度范围内均可以开启和关断,忆阻器的开启电压和关断电压受温度的影响变化较小,结果表明忆阻器的低阻态阻值不受温度的影响,高阻态阻值随温度的升高而缓慢上升。室温下石墨烯忆阻器具有良好的耐久性以及出色的数据保持能力。在570 K的高温下,石墨烯忆阻器受SiO_2衬底的影响,高阻态和低阻态阻值均不稳定。另外通过制备和测试不同电极间距的石墨烯忆阻器,结果表明忆阻器的开启电压与关断电压几乎不受电极间距的影响。本文使用的元素掺杂技术实现了二维电子材料导电类型的有效调控以及光电响应波长的拓宽,同时也适用于其他二维电子材料物理性能的调控,拓宽二维电子材料的应用场景。此外,石墨烯忆阻器的温度可靠性研究为其未来的实际应用打下坚实的基础。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN30
【部分图文】：

华东师范大学硕士学位论文2石墨烯具有双极性的场效应[11,12]。当栅压为正，导带与价带的电势降低，导致本在狄拉克点处的费米能级位于狄拉克点上方，则石墨烯中的多子是电子，石墨烯呈n型；当栅压为负，导带与价带的电势上升，费米能级位于狄拉克点下方，则石墨烯中的多子为空穴，石墨烯呈p型[13]。图1.1（a）石墨烯的晶格结构以及碳材料其他维度材料；（b）石墨烯的双极性场效应以及石墨烯的能带结构[1]。然而，石墨烯投入实际晶体管的应用面临一个很大的问题：禁带宽度为零，导致石墨烯场效应晶体管的关态电流很大[14]。科研工作者进行了大量研究，尝试让石墨烯产生带隙，具体有以下几种方法：1，将石墨烯做成纳米带，使得石墨烯只有一个很小的宽度，通过量子限制可以打开石墨烯的带隙；2，元素掺杂也可以改变石墨烯的能带结构，给石墨烯掺杂氮化硼、三氧化铬、硅等等杂质可以打开带隙；3，刻意在石墨烯中引入周期性的缺陷，使得缺陷达成正六边形周期结构，构成石墨烯缺陷的超晶格结构；4，石墨烯表面吸附氢原子等等原子也打开不同大小的带隙。通过这一系列的研究措施，石墨烯场效应晶体管的关态电流和开关比不断得到突破[15-18]。1.1.2过渡金属硫化物石墨烯由于没有带隙，在电子领域和光电领域受到极大的限制，这也同时让研究者们转向有半导体特性的过渡金属硫化物的研究，比如MoS2，MoSe2，WSe2

华东师范大学硕士学位论文3等等[19-25]。过渡金属硫化物的晶格结构为MX2，M为过渡金属元素，X为硫族元素。过渡金属硫化物的相结构有很多种，这取决于过渡金属原子的配位层[26]。如图1.2（b）所示，其常见的相有两种：一种是2H相，即金属原子三角棱柱配位，ABA结构堆垛，不同原子平面的硫族原子位于同样的位置A，相较于中心B上下对称重叠，通常2H相的过渡金属硫化物为半导体，有带隙；另一种相是1T相，即金属原子八面体配位，ABC结构堆垛。通过将不同的硫族元素和不同的金属元素进行组合，过渡金属硫化物的相会有很多种，但是在热力学稳定下的只有2H相和1T相，其余的相则为过渡金属硫化物的亚稳态相。据统计，在由第六族过渡金属原子构成的过渡金属硫化物中，大约六分之五的比例的过渡金属硫化物，其2H相是热力学稳定的，1T相可以由亚稳态相获得，不过WTe2除外，其在室温下的稳定相是正交型的1Td相。过渡金属硫化物的结构是由堆叠的每一层样品结构所决定的，一旦出现一些破坏周期性的结构扭曲就有可能产生亚稳态相，1T相的结构由于周期性的结构扭曲变成1T’相[27]。图1.2（a）过渡金属硫化物常见的三种晶格结构相：2H相、1T相、1T’相；（b）理论计算得到的不同层数MoS2的能带结构[26]。二维过渡金属硫化物半导体有一个突出优点：能带结构随材料层数可调[28-33]。如图1.2（b）所示的MoS2的能带结构，从单层到两层再到块材，能带结构有两

华东师范大学硕士学位论文4点变化：能带结构类型和禁带宽度大校首先只有单层MoS2的能带是直接带隙的，其余的都是间接带隙[34]。此外，随着MoS2层数的增加，MoS2的带隙不断地减校由理论计算得到，单层MoS2的带隙大约是1.71eV，块材MoS2的带隙大约是0.88eV，并且价带顶和导带底的两个值，对应于两个不等价的高对称点K和K’，即六角布里渊区的两个角。单层的2H相的MoS2还有一个特点，其缺乏反转对称性，这就会带来自旋轨道耦合带来的电子能带分裂。正因为二维过渡金属硫化物上述的种种优点，研究者们投入了大量的研究于其中，并且频繁的有让人振奋的工作报道，二维过渡金属硫化物很有可能在以后的电子领域大有作为。1.2基于二维电子材料的电子器件1.2.1基于二维电子材料的场效应晶体管图1.3（a）-（c）基于二维材料的三种常见的场效应晶体管结构：（a）背栅场效应晶体管、（b）双栅场效应晶体管、（c）顶栅场效应晶体管；（d）-（f）基于MoS2的背栅场效应晶体管（d）、顶栅场效应晶体管、（e）顶栅场效应晶体管、（f）双栅场效应晶体管[13,35,36]。场效应晶体管是现代集成电路的最基础的逻辑单元器件。随着传统硅基器件尺寸不断减小，器件的短沟道效应和热载流子效应加重，研究者们采取了大量的手段去抑制这两个效应，从轻掺杂漏极（LDD）和侧墙技术（spacer）到高介电常数电介质/金属电极技术（HKMG），再到现在最先进的超薄体-全耗尽绝缘体上
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本文编号：2861061