氧化石墨烯基場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性研究.pdf

1、目前，各種新型移動(dòng)終端的快速發(fā)展對(duì)集成電路提出了更高的要求，集成度更高，速度更快，功耗更低成為集成電路設(shè)計(jì)和制備的重要指標(biāo)。然而，硅作為目前集成電路的核心材料，其自身物理特性的限制嚴(yán)重制約了集成度和運(yùn)算速度的進(jìn)一步提升。單原子層厚的二維碳材料石墨烯，其電子傳導(dǎo)速率比一般半導(dǎo)體大的多，利用石墨烯做成的晶體管不僅體積小、成本低廉，而且用于開啟和關(guān)閉的電壓非常低，因而制備得到的石墨烯集成電路靈敏度更高、速度更快、功耗更低。然而，由于石墨烯天然

2、沒有禁帶，且其電學(xué)性質(zhì)受環(huán)境影響退化嚴(yán)重，因而制備禁帶寬度可控以及研發(fā)新的石墨烯晶體管的制備工藝成為石墨烯應(yīng)用的前提。本文中提出一種基于納米探針的納米光刻技術(shù)，利用得到的還原后的石墨烯氧化物(Reduced Grpahene Oxide)作為導(dǎo)電溝道材料，制備出了背柵晶體管，具體內(nèi)容如下:
　　(1)首先，我們使用石墨粉末和強(qiáng)酸等反應(yīng)得到氧化石墨烯(GO)的溶液，再通過旋涂(spin-coating)的工藝，分別在覆蓋有300 n

3、m熱氧化層的重?fù)诫s單晶硅襯底和重?fù)诫s裸單晶硅襯底上得到GO的薄膜。在橢偏儀中，使用洛倫茲模型擬合對(duì)GO薄膜厚度進(jìn)行測(cè)試，得到實(shí)驗(yàn)中所使用的GO約為7層。其次，在cAFM系統(tǒng)中，以納米探針和高摻硅襯底為上下電極，在接觸模式(Contact Mode)下對(duì)GO進(jìn)行還原，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)在襯底上施加足夠大的負(fù)電壓時(shí)，GO才會(huì)被還原。為了排除GO薄膜導(dǎo)電的現(xiàn)象可能是還原過程中納米探針對(duì)GO的機(jī)械損傷導(dǎo)致的漏電，輕敲模式(Tapping Mode)下形

4、貌測(cè)試表明還原前后GO薄膜表面并沒有明顯的區(qū)別，即導(dǎo)電是GO自身化學(xué)組分變化的結(jié)果。對(duì)還原前后的GO進(jìn)行拉曼圖譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)還原使GO晶格中sp2雜化結(jié)構(gòu)增多，羥基、羧基、環(huán)氧基等官能團(tuán)結(jié)構(gòu)減少，表明GO變成了RGO。對(duì)于這里GO被還原的機(jī)理，我們認(rèn)為當(dāng)負(fù)電壓加在GO上時(shí)，在探針和GO表面之間產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的電場(chǎng)，電子從GO內(nèi)部來到表面，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫離子，發(fā)生GO的電場(chǎng)誘導(dǎo)的化學(xué)還原反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這里GO的電化學(xué)還原不僅依賴于偏置電壓

5、的極性，也依賴于施加偏壓后產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中我們制備的7層的GO，我們發(fā)現(xiàn)電化學(xué)還原的閾值電壓是-6.5±0.5 V，且偏壓為-9 V時(shí)還原得到的電流基本飽和。通過對(duì)還原區(qū)域電流的橫向截取，顯示這種以探針來控制還原區(qū)域大小和具體位置的納米光刻技術(shù)，對(duì)位置有著極其精確的控制能力。由純化學(xué)方法還原得到的不同還原程度的GO具有不同的禁帶寬度，我們認(rèn)為這里不同偏置電壓下電化學(xué)還原得到的GO的禁帶寬度也是不同的，即我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)RGO禁帶寬

6、度的控制。最后，利用這種納米光刻技術(shù)，我們制備出了寬為400 nm，長(zhǎng)為10.5μm的納米橋結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)利用電子束淀積源、漏金屬電極，制備出了以RGO為溝道的背柵晶體管，得到同等情況下優(yōu)異的載流子傳輸特性。
　　(2)在實(shí)現(xiàn)GO的電化學(xué)還原的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)GO還具有阻變存儲(chǔ)效應(yīng)。在本征GO薄膜（高阻狀態(tài)）的選定區(qū)域，先在一定負(fù)壓偏置下，對(duì)GO實(shí)現(xiàn)還原，GO變成低阻狀態(tài)。然后，改變電壓極性，對(duì)原區(qū)域再次進(jìn)行操作，發(fā)現(xiàn)還原效果