TMDC场效应晶体管的回滞效应研究

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二维(Two-Dimensional,2D)半导体层状材料无悬挂键的表面和原子级的厚度,为晶体管尺寸突破5 nm技术节点提供了发展方向。作为2D材料中重要的一员,过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDC)具有优异的光学特性,较大的载流子迁移率和合适可调的带隙,使得其超越石墨烯成为研究人员重点探究的一类2D材料。然而,TMDC的原子层厚度和高比表面积,使得其场效应晶体管(Field Effect Transistors,FET)的性能极易受到环境影响,产生栅压应力不稳定性和回滞效应,这严重阻碍了TMDC-FET的进一步发展。探究回滞效应的产生机制,并消除回滞效应,对于制备高性能TMDC-FET而言至关重要。基于此,本文的主要研究内容如下:(1)通过机械剥离,数字无掩模光刻和蒸发镀膜工艺制备底栅WSe2-FET,为下一步电性能测试做准备。(2)器件受到环境的影响与沟道材料的厚度密切相关,一般而言沟道材料厚度越大,器件受到环境的影响越小。为了高效研究WSe2-FET的栅压应力不稳定性现象,选用少层WSe2-FET进行详细测试。为了对比分析,分别将少层WSe2-FET在大气、真空以及真空原位退火三种环境下进行电性能测试。结果表明,与大气环境中相比,少层WSe2-FET的空穴载流子迁移率在真空环境中急剧降低,并在真空原位退火之后进一步降低。重新暴露在大气环境后,载流子迁移率将逐渐得到恢复。WSe2-FET的开态电流会随着正栅压应力作用时间的增加而增加,却随着负栅压应力作用时间的增加而减小。WSe2-FET的双向扫描转移特性曲线表现出明显的回滞,且回滞的大小随扫描速率下降和扫描范围增加而增大。此外,WSe2-FET的回滞效应会在真空环境中降低,并在真空原位退火后进一步降低,但却不能完全消除,这表明导致器件回滞效应的因素包括但不限于大气分子的吸附与解吸附。单层WSe2光致发光光谱的缺陷峰和顶栅器件回滞的减小,证明了本征缺陷以及界面缺陷同样会造成回滞效应。(3)为了消除p型WSe2-FET的回滞效应并保证器件的性能,使用F4-TCNQ化学掺杂WSe2。测试结果表明,F4-TCNQ掺杂可以增大器件的载流子迁移率,并减小器件的回滞;通过PMMA封装器件后,可以提高F4-TCNQ的热稳定性。
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