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近几年来,二维材料二硫化钼由于其优异的电学、力学、光学、化学和热学特性引起了人们广泛研究的热潮。作为一种新材料,要实现二硫化钼的产业化应用,必须首先要解决高质量二硫化钼的可控制备问题。本论文围绕二硫化钼的生长和其在场效应晶体管方面的应用开展了系统的研究工作。
我们通过化学气相沉积系统,利用可独立控温的三温区管式炉,发展了一种制备大面积、高质量单层二硫化钼的方法。通过三氧化钼粉末源的蒸发温度和基片的沉积温度等因素来控制二硫化钼形核、长大、连接、成膜的四个步骤。通过优化生长参数,目前可以得到均匀、100%覆盖度、大面积、高质量、单层二硫化钼多晶膜,单个晶粒尺寸为400-700nm。
由于单层二硫化钼表面悬挂键很少、结构稳定、具有直接带隙(Eg~1.8eV),是构造高性能场效应晶体管沟道材料的理想候选。我们使用直接生长在Si/SiO2表面的单层、多晶二硫化钼薄膜加工大面积场效应晶体管器件,单个晶体管的性能优异,迁移率在0.06-0.6cm2/Vs,电流开关比为~106。利用单晶畴的单层二硫化钼薄片加工的场效应晶体管具有更加优异的特性:开关比约为106,迁移率为~8.2 cm2/Vs,可以和机械剥离的单层二硫化钼场效应晶体管性质相比拟。为了减小接触电阻对器件电学性能的影响,我们使用钛作为接触金属,发现了单晶畴场效应晶体管的I-V曲线中电流表现出饱和趋势。结果表明金属钛作接触金属时,可以有效得降低金属和半导体之间的肖特基势垒的高度。这些工作为未来晶片规模集成二硫化钼场效应晶体管器件提供了前期工作基础。