石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備及性能研究.pdf

1、石墨烯作為一種新型的二維材料，自2004年第一次被發(fā)現(xiàn)后便引起了各領(lǐng)域科研工作者的廣泛關(guān)注。這種只由一層碳原子構(gòu)成的二維平面晶體具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，比如:極高的載流子遷移率和飽和漂移速度、亞微米級(jí)的彈道輸運(yùn)、優(yōu)良的機(jī)械性能和熱導(dǎo)率，以及良好的光學(xué)性能等。隨著硅基集成電路的尺寸逐步逼近摩爾定律的極限，石墨烯有望取代硅成為下一代集成電路材料。而且由于極高的載流子遷移率，石墨烯很適合應(yīng)用于射頻器件。石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GFET)是實(shí)現(xiàn)基于石墨

2、烯的射頻器件、傳感器和集成電路的基本器件結(jié)構(gòu)。因此，本論文深入分析了GFET的研究背景和現(xiàn)狀，研究了GFET的制備工藝流程和電學(xué)性能，重點(diǎn)對(duì)GFET的介質(zhì)層進(jìn)行了研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)第一章我們介紹了石墨烯的基本性質(zhì)和制備方法，概述了GFET的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)分析了GFET的應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀，以及目前研究存在的問(wèn)題，引出了本論文的選題思路和主要研究?jī)?nèi)容。
　　(2)第二章我們首先對(duì)石墨烯樣品進(jìn)

3、行了拉曼表征。在測(cè)試范圍內(nèi)沒(méi)有觀察到D峰;G峰和2D峰的比值為0.216,說(shuō)明石墨烯樣品為高質(zhì)量的單層石墨烯。然后介紹了本文采用的紫外光刻技術(shù)以及光刻膠的分類和各自的適用范圍，探索了最佳的光刻工藝參數(shù)。接著采用傳輸線法(TLM)測(cè)試了不同金屬與石墨烯之間的接觸電阻，選用了Ti/Au作為石墨烯的歐姆接觸金屬。最后介紹了底柵GFET的制備流程和測(cè)量原理，制備了底柵GFET器件并進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試，提取了電學(xué)參數(shù)。在測(cè)試范圍內(nèi)沒(méi)有觀察到狄拉克點(diǎn)，

4、主要是由于石墨烯表面殘留的光刻膠以及石墨烯表面吸附的水和氧氣對(duì)石墨烯進(jìn)行了摻雜導(dǎo)致。
　　(3)第三章首先闡述了頂柵介質(zhì)層對(duì)頂柵GFET的重要性，對(duì)比了不同介質(zhì)層制備方法對(duì)石墨烯電學(xué)性能的影響，介紹了簡(jiǎn)單且低損傷的熱蒸發(fā)方法，選用易升華的一氧化硅(SiO)作為蒸發(fā)材料。通過(guò)底柵測(cè)試分析蒸發(fā)SiO前后底柵GFET性能的變化，說(shuō)明熱蒸發(fā)的SiO對(duì)石墨烯的影響很小。然后通過(guò)對(duì)Ti-SiO-Ti三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明30nm厚

5、的熱蒸發(fā)SiO薄膜具有較高的介電常數(shù)(εr=5.3)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)(EB=4.1MV/cm)，適合作為GFET的頂柵介質(zhì)層。介紹了頂柵GFET的制備流程，制備了以熱蒸發(fā)SiO為介質(zhì)層的頂柵GFET并進(jìn)行了電學(xué)測(cè)試，證明了熱蒸發(fā)SiO足以作為項(xiàng)柵GFET的介質(zhì)層。低損傷的熱蒸發(fā)方法也適用于制備基于其他脆弱的二維材料器件的介質(zhì)層。最后嘗試了制備將SiO同時(shí)作為犧牲層和介質(zhì)層的器件，為優(yōu)化和簡(jiǎn)化GFET的工藝流程提供了新視角。結(jié)果表明SiO可以起