單層二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能影響因素的研究.pdf

1、隨著硅基器件納米化過(guò)程日益逼近其工藝極限，二維納米材料已然成為替代硅材料的研究重點(diǎn)。單層二硫化鉬（MoS2）作為一種典型的過(guò)渡族金屬二硫化物，不僅擁有類(lèi)石墨烯的二維層狀結(jié)構(gòu)，且能帶中有合適的直接帶隙，已成為硅基器件溝道材料潛在替代者之一。目前，單層MoS2已在場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中展現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛質(zhì)。在通往單層MoS2基納米器件的商用道路中，諸如電極接觸等與器件相關(guān)的基礎(chǔ)問(wèn)題仍待解決。源于納米器件的尺度特性，晶體管結(jié)構(gòu)中各個(gè)界面對(duì)晶體管性

2、能的影響同樣可能有別于傳統(tǒng)晶體管相關(guān)物理學(xué)。本文從晶體管兩個(gè)重要界面討論了這些因素對(duì)MoS2基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的影響：一是金屬電極和單層MoS2界面，系統(tǒng)研究了界面應(yīng)力匹配對(duì)金屬電極-MoS2界面特性的影響；二是討論了柵極絕緣層和單層MoS2界面，研究了不同介電性能的柵極絕緣層對(duì)其輸運(yùn)性能的影響。兩個(gè)重要界面的討論對(duì)應(yīng)了單層MoS2基場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能優(yōu)化的兩個(gè)重要方向，有利于加深對(duì)MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。
　　在第一章

3、中，本論文首先概述了常見(jiàn)的二維材料，詳細(xì)介紹了 MoS2的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及相關(guān)應(yīng)用，指出了MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管中存在的金屬接觸問(wèn)題和溝道散射問(wèn)題，闡明了本課題的研究目的和意義。第二章簡(jiǎn)要介紹了計(jì)算過(guò)程中所用到的密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法以及VASP、ATK軟件。第三章和第四章詳細(xì)介紹了我們針對(duì)MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管中存在的兩類(lèi)問(wèn)題開(kāi)展的研究工作。
　　第三章系統(tǒng)闡述了MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管中金屬電極接觸的應(yīng)力效應(yīng)。利用密度

4、泛函理論，我們厘清了界面失配應(yīng)力對(duì) Au(111)/MoS2界面特性的影響，同時(shí)考慮將應(yīng)力作為一種調(diào)控手段，分析了不同失配應(yīng)力下Au(111)/MoS2界面特性的變化規(guī)律。我們的研究表明：（1） Au基底或單層MoS2處于壓縮應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，界面間距、界面隧穿勢(shì)壘、肖特基勢(shì)壘均比無(wú)應(yīng)力體系大，且隨著壓縮程度的加劇逐漸增加；而界面電荷密度卻比無(wú)應(yīng)力體系小，且隨著壓縮程度的加劇逐漸降低。因此考慮兩者接觸時(shí)應(yīng)避免使其處于壓縮應(yīng)變狀態(tài)。（2）拉伸應(yīng)

5、變狀態(tài)下，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)Au基底施加較小的拉伸應(yīng)力有利于獲得更好的界面接觸；對(duì)于單層MoS2來(lái)說(shuō)，雖然更大的拉伸應(yīng)變下能獲得更優(yōu)的界面接觸，但是單層MoS2的帶隙寬度是隨著拉伸程度的增加而降低的，我們選擇MoS2作為器件的溝道材料正是由于其具有合適的帶隙。因此，對(duì)單層MoS2施加較小的拉伸應(yīng)變，既能優(yōu)化界面接觸又能使其保持相當(dāng)?shù)膸秾挾取?br>　　第四章是基于對(duì)柵極絕緣層-MoS2溝道界面的討論。我們分析了不同介電性能的柵極絕緣層對(duì)MoS

6、2場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸運(yùn)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在短溝道彈道輸運(yùn)條件下，柵極絕緣層的介電性能對(duì)器件的載流子遷移率無(wú)影響；但是，高介電常數(shù)的柵極絕緣層能有效提高器件的電流開(kāi)關(guān)比，同時(shí)可以降低亞閾值擺幅。原因是高介電常數(shù)的柵極絕緣層能恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)MoS2電子態(tài)在器件偏壓窗口或偏壓窗口附近的電子態(tài)密度分布。
　　基于理論設(shè)計(jì)層面，本論文針對(duì)MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管中存在的金屬接觸問(wèn)題和溝道散射問(wèn)題，重點(diǎn)討論了金半接觸應(yīng)力工程和柵極介電工程在單層MoS