单层石墨烯在场效应晶体管中的应用研究

论文摘要

微电子工业从发展之初到现在,一直都在按照摩尔定律预言的轨迹发展着。但是,随着关键尺寸越来越细,器件也越来越小,微电子工业面临越来越大的挑战。世界各国的研究人员都在寻求各种方法突破这一难题。随着各种技术的发展,一种新型技术,即碳基微电子技术(电极材料和半导体都采用含碳化合物)逐渐浮出水面并有望成为下一代电子技术的核心,受到人们的广泛关注。其中石墨烯是近几年新兴的材料,具有超薄、迁移率高、严格而简单的二维结构、超强的机械性能以及热化学稳定性等优点,在下一代超大规模集成电路方面具有潜在的应用前景。目前,制备石墨烯有多种方法,包括机械剥离法、单层氧化石墨还原法、外延生长法和气相生长法。不过这些方法都无法满足实际应用的需要,也没有充分利用石墨烯的特点。考虑到石墨烯良好的导电能力、超薄的厚度以及与有机半导体良好的兼容性,石墨烯非常适合作为有机半导体器件的电极材料。目前的有机半导体微纳器件多采用顶电极结构,即先预置有机维纳晶体,然后在晶体上沉积电极,完成器件制备。由于脆弱的有机晶体不能采用光刻等传统微加工工艺,顶电极多通过掩膜板真空蒸发电极来完成。电极制备过程中的热辐射会对有机晶体器件性能造成一定的影响。另一种是底电极结构,底电极器件是预先在衬底上制备好电极,然后放置晶体。由于没有有机晶体的限制,电极结构可以采用光刻等微加工工艺制备。但是底电极结构的缺点是电极的厚度通常大于15纳米,电极与绝缘层间形成的台阶会影响有机微纳晶体与绝缘层的贴合,导致器件性能的降低,甚至会使器件失去性能。单层石墨烯的厚度极薄,仅0.4纳米,同时还具有极高的迁移率、良好的一致性、卓越的热和化学稳定性。如果用单层石墨烯作为有机微纳器件的底电极,就可以解决传统金属电极过厚的问题,将底电极台阶造成的影响减小到最小,同时能够与有机半导体形成良好的能级匹配。本文介绍了石墨烯基本的制备和表征方法,并发展了一种简单、高效、方便的石墨烯间隙对的制备方法。基于单层石墨烯电极的有机晶体管表现出良好的场效应晶体管性能,迁移率和开关比分别可达0.053cm2/Vs和105。虽然有机沟道的制备过程未经优化,但是基于石墨烯电极的有机晶体管性能仍优于相同结构、采用传统贵金属电极的该类型晶体管的最好性能。研究结果表明,单层石墨烯可作为良好的电极材料,并有望成为一种通用的技术以制备高性能有机/无机微纳单晶器件和薄膜器件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 场效应晶体管简介
• 1.1.1 场效应晶体管基本原理和结构
• 1.1.2 场效应晶体管基本性能参数
• 1.2 石墨烯的结构、性质和应用
• 1.2.1 石墨烯的结构
• 1.2.2 石墨烯的性质
• 1.2.3 石墨烯在微电子领域的应用
• 1.3 石墨烯的制备和表征
• 1.3.1 石墨烯的制备
• 1.3.2 石墨烯的表征
• 1.3.3 小结
• 1.4 石墨烯电极对的制备方法
• 1.4.1 电子束曝光
• 1.4.2 AFM针尖裁剪法
• 1.4.3 聚合物单分子层掩膜法
• 1.5 本文选题依据及主要研究内容
• 1.5.1 论文选题的目的和意义
• 1.5.2 本文主要的研究内容
• 第2章 石墨烯电学性能的研究
• 2.1 石墨烯晶体管的制备
• 2.1.1 紫外光刻制备源漏电极
• 2.1.2 金丝掩膜法制备源漏电极
• 2.2 石墨烯电学性能测试与分析
• 2.3 小结
• 第3章 基于石墨烯电极的场效应晶体管的制备及性能研究
• 3.1 石墨烯电极对的制备方法
• 3.1.1 碳纤维和金丝交替掩膜法
• 3.2 基于石墨烯电极的场效应晶体管的性能
• 3.2.1 基于石墨烯电极场效应晶体管导电沟道的制备
• 3.2.2 器件的输出特性及转移特性
• 3.3 小结
• 第4章 石墨烯纳米间隙电极对的制备研究
• 4.1 石墨烯纳米间隙电极对在分子器件中的应用
• 4.2 纳米线掩膜法制备石墨烯纳米间隙电极对
• 4.3 AFM针尖裁剪法制备石墨烯纳米间隙电极对
• 4.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 致谢