石墨烯射频器件研究进展

石墨烯因具有优良的电学特性,在半导体行业中受到广泛关注,特别因其具有超薄的结构和极高的载流子迁移率,为解决短沟道效应提供了可能,并且在高速电子领域具有应用前景.近年来,使用石墨烯作为沟道材料制备射频晶体管及射频电路是发挥石墨烯材料优势的一个重要研究方向.制造高性能的射频器件,首先要制备出高性能的石墨烯材料.在金属衬底上沉积均匀的单层石墨烯材料或者在绝缘衬底上外延生长单层、双层石墨烯材料都是获得高质量石墨烯材料的常用方法.器件结构及工艺流程的设计也是提升晶体管射频性能的重要因素,多指栅结构、T型栅结构、埋栅结构以及自对准工艺的发展能够有效改善石墨烯射频晶体管的截止频率及最大振荡频率.石墨烯晶体管独特的电学特性使得其除了可以构造与其他半导体材料电路相似的射频电路结构,还可以构造出功能完整并且结构更加简单的新型射频电路结构.     

顶栅石墨烯离子敏场效应管的表征及其初步应用

传统的液栅型石墨烯场效应管虽然灵敏度高, 但是石墨烯沟道极易被污染, 致使器件的稳定性减小, 不能被重复利用. 为此, 我们设计制造了一种顶栅石墨烯离子敏场效应管, 以化学气相沉积生长的石墨烯为沟道, 通过原子层沉积在石墨烯表面沉积绝缘层HfO₂/Al₂O₃, 其中Al₂O₃作为敏感膜, HfO₂/Al₂O₃作为石墨烯及电极的保护膜. 经过一系列的电学表征和测试发现, 相较于液栅型石墨烯场效应管, 顶栅石墨烯场效应管具有更高的信噪比、更好的稳定性. 为了利用顶栅石墨烯进行生物分子的检测, 我们将单链DNA修饰在Al₂O₃表面, 成功检测到了修饰DNA前后的信号差异, 并结合荧光修饰的表征验证了顶栅石墨烯场效应管用于生物传感器的可行性.     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.     

石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors, GFET)开展了基于10 keVX射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_Dirac和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构; 200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_Dirac和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.     

石墨烯——未来材料之星

学习＂双语物理导论＂课程后,我们选择＂石墨烯＂作为课程论文和最终报告的主题.石墨烯目前是凝聚态物理和材料科学最为活跃的研究前沿,这一非传统的二维材料展现出极好的结晶性及电学质量,它在过去短短3年内已充分显示出在理论研究和应用方面的无穷魅力.论文首先叙述了石墨烯的背景与发现,接着阐述了石墨烯的定义、特性及相应的应用,结论是：虽然只有当商用产品出现时才能肯定其应用的现实性,但凭借其非同寻常的性质,石墨烯已不需要证明其在基础物理学中的价值.通过撰写这篇课程论文,我们践行了课程的理念和目标——＂让学生尽早阅读英文资料并开展一些研究性工作＂,并且受益匪浅.     

基于石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管的光电探测器

以等离子增强化学气相沉积法制备的石墨烯作为导电沟道材料,将其与无机CsPbI_3钙钛矿量子点结合,设计并制备了石墨烯-钙钛矿量子点场效应晶体管光电探测器.研究和分析了石墨烯作为场效应晶体管的电学特性及其与钙钛矿量子点结合作为光电探测器的光电特性.结果表明,石墨烯在场效应晶体管中表现出良好的电学性质,其与钙钛矿量子点的结合对波长为400 nm的光辐射具有明显的光响应,在光强为12μW时器件光生电流最大为64μA,响应率达6.4 A·W~(-1),对应的光电导增益和探测率分别为3.7×10~4,6×10~7Jones(1 Jones=1 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)).     

含孔缺陷石墨烯纳米条带的电学特性研究

本文系统地研究了不同形状(三方、四方及六方) 的孔缺陷对锯齿形石墨烯纳米条带电学特性的影响. 结果表明: 孔缺陷形状对于石墨烯纳米条带的电导及电流特性影响显著, 其可能源于不同形状的孔缺陷边界对于电子散射的不同; 另外, 当缺陷悬挂吸附氢或氮原子, 将引起孔缺陷形状改变, 因此不同孔缺陷吸附对于石墨烯纳米条带的电学特性的影响也各不相同. 本研究将为石墨烯基电子器件失效分析及石墨烯孔结构器件设计提供有价值的理论指导. 关键词： 石墨烯 孔缺陷 电学特性     

石墨烯的量子电容

量子电容在半导体纳米材料和器件中是一个日趋重要的参数,测量和提取石墨烯的量子电容,不仅可以得到石墨烯的重要物理性质,而且对石墨烯晶体管的尺寸缩减行为具有重要指导意义.文章中采用简单工艺在石墨烯上制备出均匀超薄的高质量Y2O3栅介质,其等效栅氧厚度(EOT)可缩减至1.5nm,通过控制栅介质厚度的变化,精确测量并提取了石墨烯量子电容,其电容值在远离狄拉克点时与理论计算相符合;在此基础上,文章作者提出了基于电势涨落的量子电容微观模型,通过采用单一参数——电势涨落δV,可以定量地描述Dirac点附近的量子电容行为,从而在全能量范围内实现对石墨烯量子电容测量值的完美拟合,并得到了石墨烯的相关重要参数.进而,作者从量子电容的角度,探索了石墨烯晶体管的性能极限,并比较其相对于Ⅲ-Ⅴ族场效应晶体管的潜在优势.     

沟道长度和宽度对石墨烯场效应晶体管电荷输运的影响

本文基于理论的方法研究了沟道长度和宽度对石墨烯场效应晶体管中大信号和小信号参数的影响. 在快速饱和及高特征频率条件下,石墨烯场效应晶体管均表现出优异的性能. 从传递曲线可以看到,随着沟道长度从440 nm变到20 nm,产生了一个从0.15 V 到0.35 V的狄拉克点正偏移,同时也揭示了石墨烯的双极特性. 而且,由于沟道变宽及漏电流增加,当沟道宽度为2 μm和5 μm时,相应的最大电流为2.4 mA和6 mA. 另外,还在石墨烯场效应晶体管中观察到了几乎对称的电容-电压特性,电容会随着沟道变短而减小,但另一方面电容又可以通过沟道展宽来增加. 最后,在沟道长度为20 nm处获得了一个6.4 mS的高跨导,在沟道宽度为5 μm处获得的跨导值为4.45 mS,特征频率为3.95 THz.     

用化学气相沉积法制备石墨烯薄膜及其电学性能研究

以甲烷作为反应气体、利用高温化学气相沉积法分别在纯硅片和镀镍镉过渡层硅片上沉积石墨烯薄膜,应用金相显微镜和电学特性测试分析了700,900,950℃温度下生长的石墨烯薄膜的表面形貌、伏安特性及其他电学特性.发现镍铬过渡层具有显著的催化作用,可有效降低石墨烯的生长温度.随着生长温度的升高,样品中电子迁移率随之增大,伏安特性的线性度也越好.对纯硅片上生长的石墨烯,发现高温有利于甲烷有效分解和成核,可有效提高表面电子浓度和电子迁移率,其迁移率可达到2.52×104 cm2/V.     

A-Z-A型石墨烯场效应晶体管吸附 效应的第一性原理研究

利用第一性原理的计算方法, 研究了A-Z-A型GNR-FET的电子结构和输运性质及其分子吸附效应. 得到了以下结论: 纯净的A-Z-A型GNR-FET具有典型的双极型晶体管特性, 吸附分子的存在会使纳米带能隙变小. 对于吸附H, H₂, H₂O, N₂, NO, NO₂, O₂, CO₂和SO₂分子的情况, A-Z-A型GNR-FET仍然保持着场效应晶体管的基本特征, 但吸附不同类型的分子会使GNR-FET的输运特性发生不同程度的改变; 对于吸附OH分子的情况, 输运特性发生了本质的改变, 完全不具有场效应晶体管的特性. 这些研究结果将有助于石墨烯气体探测器的工程实现, 并对应用于不同环境中GNR-FET的设计具有重要指导意义.     

堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管二维模型

提出了一种堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)新器件结构.采用分区的抛物线电势近似法和通用边界条件求解二维泊松方程,建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压的解析模型.该结构的应变硅沟道有两个掺杂区域,和常规双栅器件(均匀掺杂沟道)比较,沟道表面势呈阶梯电势分布,能进一步提高载流子迁移率;探讨了漏源电压对短沟道效应的影响;分析得到阈值电压随缓冲层Ge组分的提高而降低,随堆叠栅介质高k层介电常数的增大而增大,随源端应变硅沟道掺杂浓度的升高而增大,并解释了其物理机理.分析结果表明:该新结构器件能够更好地减小阈值电压漂移,抑制短沟道效应,为纳米领域MOSFET器件设计提供了指导.     

高功率微波作用下金属氧化物半导体场效应管响应

采用基于半导体漂移扩散模型的数值模拟软件对高功率微波（HPM）作用下金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的响应进行了数值模拟研究。对MOSFET在HPM作用下的输出特性以及器件内部响应进行了数值模拟。计算结果表明,在MOSFET栅极加载HPM后,随着注入HPM幅值的增大,会使得器件的正向电压小于开启电压,从而使得输出电流的波形发生形变。在器件内部,导电沟道靠近源极一端的电场强度最大,热量产生集中在这一区域。在脉冲正半周期时,温度峰值位于沟道源极一端,负半周期时,器件内部几乎没有电流,器件内的温度峰值在热扩散效应的影响下趋向于导电沟道中部。     

Performance analysis of indium phosphide channel based sub-10 nm double gate spin field effect transistor

In this paper, a novel double gate Spin-Field Effect Transistor (DG spin-FET) with indium phosphide (InP) as channel material is evaluated. The proposed spin-FET device is well suited for CMOS technology, as both n and p-type devices can be formed by using parallel and anti-parallel combinations of spin-FET respectively. The proposed device feature size is in sub 10 nm range and therefore is compatible with state of the art integrated circuit technology. The leakage currents have been reduced by employing high-k dielectric (HfO₂). A comparative analysis of the proposed device with the devices reported in the literature confirm that the proposed device has improved on-off ratio and ON current. Besides the device has low transit time and less parasitic capacitances required for high frequency and low power applications respectively.     

金属-氧化物-半导体场效应管辐射效应模型研究

基于氧化层陷阱电荷以及界面陷阱电荷的产生动力学以及辐射应力损伤的微观机理,推导出了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)中辐射应力引起的氧化层陷阱电荷、界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量之间定量关系的模型. 根据模型可以得到:低剂量情况下,氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量成正比;高剂量情况下,氧化层陷阱电荷导致的阈值电压漂移量发生饱和, 其峰值与辐射剂量无关,界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量呈指数关系. 另外,模型还表明氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷在不同的辐射剂量点开始产生饱和现象, 其中界面陷阱电荷先于氧化层陷阱电荷产生饱和现象.最后,用实验验证了该模型的正确性. 该模型可以较为准确地预测辐射应力作用下MOSFET的退化情况.     

单根In掺杂ZnO纳米带场效应管的电学性质

采用化学气相沉积法合成了In掺杂ZnO纳米带,并对其进行了X射线衍射、光致发光及透射电镜表征.基于单根纳米带,采用廉价微栅模板法制备了背栅场效应管,利用半导体参数测试仪测量了场效应管的输出(Ids-Vds)和转移(Ids-Vgs)特性,得出相关电学参数,其中迁移率值为622 cm2·V-1·s-1,该值明显优于包括ZnO在内的大多数材料;讨论了迁移率提高的可能原因.     

HfO2基铁电场效应晶体管读写电路的单粒子翻转效应模拟

使用器件-电路仿真方法搭建了氧化铪基铁电场效应晶体管读写电路,研究了单粒子入射铁电场效应晶体管存储单元和外围灵敏放大器敏感节点后读写数据的变化情况,分析了读写数据波动的内在机制.结果表明:高能粒子入射该读写电路中的铁电存储单元漏极时,处于"0"状态的存储单元产生的电子空穴对在器件内部堆积,使得栅极的电场强度和铁电极化增大,而处于"1"状态的存储单元由于源极的电荷注入作用使得输出的瞬态脉冲电压信号有较大波动;高能粒子入射放大器灵敏节点时,产生的收集电流使处于读"0"状态的放大器开启,导致输出数据波动,但是其波动时间仅为0.4 ns,数据没有发生单粒子翻转能正常读出.两束高能粒子时间间隔0.5 ns先后作用铁电存储单元漏极,比单束高能粒子产生更大的输出数据信号波动,读写"1"状态的最终输出电压差变小.     

有机薄膜晶体管中接触效应的研究

研究了接触效应对有机薄膜晶体管性能的影响.首先在n型重掺杂Si片上制备了以M_OO₃修饰的Al电极为源漏电极的Pentacene基OTFTs(organic thin film transistors),器件场效应迁移率μ_ef达到0.42 cm²/V ·s,阈值电压V_T为-9.16 V,开关比4.7×10³.通过中间探针法,对器件电势分布做了定性判断 关键词： 有机薄膜晶体管 场效应迁移率 接触效应 电荷漂移     

n型金属氧化物半导体场效应晶体管噪声非高斯性研究

基于n型金属氧化物半导体场效应晶体管（nMOSFET）噪声的数涨落模型,采用高阶统计量双相干系数平方和研究了nMOSFET噪声的非高斯性.通过对nMOSFET实际测试噪声的分析,发现nMOSFET器件噪声存在非高斯性;小尺寸器件噪声的非高斯性强于大尺寸器件;在器件的强反型线性区,其非高斯性随着漏压的增加而增加.文中还通过蒙特卡罗模拟和中心极限定理理论对nMOSFET噪声的非高斯性作了深入的探讨. 关键词： 噪声 非高斯性 n型金属氧化物半导体场效应晶体管 氧化层陷阱