宏量MoTe2纳米带阵列CVD相可控制备、转移及电学性能研究

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单层/少层过渡金属硫化物(TMDs)是“后摩尔定律时代”集成电路产业重要的取代硅高迁移率新型沟道材料,是当前学术界及产业界关注的焦点。本研究选取TMDs家族中MoTe2材料体系作为研究对象,其主要特点在于:MoTe2具有与当前集成电路产业硅沟道材料具有相同带隙(~1.1e V),同时显著区别于其他TMDs材料体系,MoTe2室温下可制备多种复杂结构晶相,有助于制备高性能及新结构微电子器件,进而使得MoTe2在微电子器件应用上具有极大潜力。本工作主要围绕宏量MoTe2纳米带阵列CVD相可控制备、转移及电学性能开展了一系列系统深入研究。研究取得的主要结果如下:首先,采用CVD碲化直接掩膜法制备的Mo O3前驱体纳米带工艺,成功实现了高效率纯相MoTe2纳米带阵列宏量制备。通过控制前驱体衬底在CVD生长过程中的摆放方式及前驱体Mo O3薄膜临界厚度,实现了最终合成的MoTe2纳米带阵列晶相的有效控制;证实CVD碲化过程并不会影响、破坏Mo O3前驱体尺寸,最终可实现较好的MoTe2纳米带厚度、表面及晶体质量控制;其次,成功发展了PVP/PVA印章MoTe2纳米带阵列宏量转移工艺。通过优化PVA浓度及旋涂转速、水浴去除PVP/PVA印章时间,有效实现了2H-MoTe2纳米带阵列、金属电极/2H-MoTe2纳米带阵列复合结构宏量转移;发现采用Ag/Au等金属电极辅助方式可100%转移1T’-MoTe2,直接形成金属/1T’-MoTe2复合结构电极,而单纯使用PVP/PVA印章无法实现1T’-MoTe2纳米带阵列有效转移;验证了PVP/PVA印章转移工艺具有通用性,MoTe2纳米带阵列可100%宏量转移至Si O2、Si、Ge、Hf Al O2、Zr O2等多种衬底上;证实了PVP/PVA印章宏量转移工艺不会破坏MoTe2纳米带阵列性质,降低质量,具有高的实际可行性;最后,成功构筑了Au/1T’-MoTe2/2H-MoTe2/Hf Al O2复杂结构晶体管器件。器件性能研究表明,CVD合成的多晶2H-MoTe2纳米带呈现P型导电特性;溶液法制备的高k栅介质Hf Al O2质量较好,当栅工作电压位于-3V-3V之间时,漏电流密度维持在10-7A/cm2以下;Au/1T’-MoTe2复合电极能有效改善与2H-MoTe2纳米带接触电阻,采用Au/1T’-MoTe2/2H-MoTe2/Hf Al O2结构晶体管器件载流子迁移率平均接近30cm2V-1S-1,整体性能达到了多晶MoTe2基微电子器件目前的最佳水平(32cm2V-1S-1)。综上所示,本研究实现了宏量MoTe2纳米带阵列的CVD相可控制备,开发了具有高效率、高通用性及高可行性的MoTe2纳米带阵列宏量转移工艺,构筑了高性能Au/1T’-MoTe2/2H-MoTe2/Hf Al O2复杂结构MoTe2晶体管器件,为MoTe2基微电子器件面向集成电路“后摩尔定律时代”产业应用奠定了基础。
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