二维层状材料场效应器件与电路应用研究

发布时间：2022-02-13 16:54

　　场效应晶体管作为现代集成电路的核心电子元器件,其性能的不断提升推动着近半个世纪以来的集成电路产业的高速发展。然而,随着器件尺寸微缩至其理论极限,短沟道效应使得传统硅基场效应晶体管的器件性能急剧退化。传统的依靠减小器件尺寸,提升器件性能,增加器件集成密度以提高集成电路性能的技术路线将面临失效。为了应对这一挑战,一方面研究人员致力于寻找新材料以减弱短沟道效应的影响,继续推进器件尺寸的小型化。另一方面,研究人员希望设计新原理电子器件,探索全新的信息计算方式以推进集成电路性能持续发展。二维层状材料种类丰富,其材料结构均为层内原子通过共价键结合成稳定的晶格结构,而原子层间则通过范德华力相结合。二维层状材料表面无悬挂键,具有原子级平整度。并且,部分二维层状材料可以以原子级厚度存在于大气环境中。利用二维层状材料制备场效应器件具有巨大的研究价值,一方面,由于二维层状材料原子级厚度的本征特性使得器件表现出优异的栅控性质,可以有效减小短沟道效应对器件性能的影响;另一方面,二维层状材料丰富的物理性质为设计新原理场效应器件提供了理想的探索平台。本论文主要基于二维层状材料研究了两大类场效应晶体管器件,并展示了相... 

【文章来源】：南京大学江苏省211工程院校985工程院校教育部直属院校

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2.根据半导体国际技术路线图（ITRS），根据集成系统中数字与非数字功能的不同需求，技术发展分为两个不同的趋势：器件持续小型化以满足高性能

11图1.1.1.a，CMOS-FET器件尺寸缩小趋势；[1]b，对数坐标下CMOS-FET器件场效应曲线随着器件尺寸缩小变化示意图。随着器件尺寸缩小，短沟道效应凸显，截至态电流提升，器件性能退化。图1.1.2.根据半导体国际技术路线图（ITRS），根据集成系统中数字与非数字功能的不同需求，技术发展分为两个不同的趋势：器件持续小型化以满足高性能数字信息处理的需求（MoreMoore）；器件功能多样化以满足非数字信息处理领域的多方面需求（More-than-Moore）。[3]近十余年，涌现了大量二维层状材料，这类材料面内原子以共价键的方式形成稳定的晶格结构，而层间则是通过范德瓦尔斯作用力相互结合在一起。其中，石墨烯（graphene）作为狄拉克半金属材料，[1,4-9]具有良好的导电特性，同时也ab

131.2.1场效应晶体管器件结构及其演进一个典型的MOSFET的器件结构包括衬底（substrate），沟道区域（channel），源端区域（source），漏端区域(drain)，栅介质(gateoxide)和栅电极(gateelectrode)。其中源端和漏端区域分布于器件沟道区域两端,栅电极位于沟道区域正上方，而绝缘的栅介质层介于栅电极和沟道之间。（如图1.2.1所示）对于如图1.2.1a所示的n型MOSFET，衬底为p型掺杂，源端和漏端区域为重n型掺杂区域。器件为截止态时，沟道区域为p型半导体状态，此时源端、沟道和漏端为n+pn+的同质结结构。而在栅极电压作用下器件呈现为开启态时，沟道区域形成反型层而表现为n型半导体状态，则源端、沟道和漏端为n+nn+的同质结结构。类似的p型MOSFET器件结构如图1.2.1b所示。但是随着器件小型化，沟道长度缩短，则源端和漏端区域的扩散区域靠近，将形成如图2.1.3黑线箭头所示的漏电通路，由此显著影响器件截止状态，表现为如图1.1.1b所示的截止态电流提升，即短沟道效应。图1.2.1.传统硅基MOSFET结构示意图。a，n型MOSFET。b，p型MOSFET图1.2.2.器件小型化后的漏电通路。为了有效抑制漏电通路，克服短沟道效应，在器件尺寸小于180nm时，引入


本文编号：3623565