单层h-BN的CVD大面积生长及MoTe2/h-BN异质结薄膜晶体管器件研究

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自上世纪60年代摩尔定律被提出以来,即电子电路中的元件数量每两年就增加一倍。截至现在,硅基晶体管的体积及数量已经达到了极限,随之器件性能也难以得到更进一步的提升。为了使摩尔定律得以延续,故亟需寻找可替代硅的新型半导体材料。然而对于一些新兴的晶体管,例如由锗,砷化铟镓和磷化铟制成的晶体管,虽然其半导体层的厚度都能做到纳米尺寸,但是由于其内部和表面的缺陷较多,电子在其内部流通受到一定阻碍,进而器件的性能会受到很大的影响。过渡金属硫族化合物(TMDs),其具有严格且独特的二维层状结构,即面内由过渡金属元素与硫族元素形成的共价键或者离子键结合,层与层之间则由较弱的范德华力结合。并且随着厚度的减小,其电学和光学性能会发生奇异的变化。而Mo Te2作为过渡金属二硫族化合物中的一员,除了拥有大多数TMDs具有的特性外,其2H相(六方晶系)单层薄膜的直接带隙宽度(1.1 e V)极其接近硅(1.12 e V),更加适合作为硅基晶体管的替代材料。此外,Mo Te2的2H相(半导体性)和1T’相(金属性)之间具有极小的能量差(<50 me V)[1],故可以作为用于相工程研究的材料。本文旨在实现高质量的Mo Te2薄膜大面积生长以提高薄膜晶体管(TFT)的性能,重点集中在大面积连续h-BN薄膜的制备,因为h-BN具有严格意义的单层结构,并且没有悬挂键,同时其与Mo Te2的晶格错配度极小(约为1.4%),自身绝缘性极佳,有一定的声子散射屏蔽效应,故可以作为Mo Te2生长衬底以提高薄膜质量的同时又不会影响Mo Te2薄膜晶体管的栅极介电性,且对载流子输运有良性影响。此次研究主要分为以下三个部分:(1)单晶铜箔的制备。单晶铜箔,尤其是(110)铜箔,由于其对称性和表面晶界的缺失,更易实现大面积连续h-BN薄膜的生长,同时我们研究了退火温度和降温速率对铜箔表面取向的影响;(2)单层h-BN的制备。以氨硼烷(NH3BH3)为前体,通过化学气相沉积(CVD)的方法在单晶铜箔上制备单层h-BN薄膜,并研究了生长温度和前体温度对薄膜的影响;(3)Mo Te2薄膜的生长及TFT制备。以制备的h-BN薄膜为衬底,使用分子束外延技术,实现Mo Te2薄膜的大面积生长,最后将得到的Mo Te2/h-BN薄膜异质结制成薄膜晶体管并研究其电学性能。大量的表征结果证明,我们通过优化退火工艺,成功制备出(111)及(110)铜箔且分析了铜箔择优取向机理,进而通过优化CVD生长条件制备出了大面积连续的单层h-BN薄膜,最后在前述工作的基础之上首次使用MBE技术实现了Mo Te2薄膜在单层h-BN上大面积生长,并将之制为霍尔元件和薄膜晶体管,发现其霍尔迁移率和开关电流比与直接在Si O2/Si制得的Mo Te2器件相比均有显著提高。以上工作为Mo Te2薄膜大面积外延生长提供了新的见解,并为摩尔定律的延续开辟了新的道路。
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