本文是一篇电气自动化论文，论文以半导体材料GeS e在光电器件领域的应用为出发点，设计并实现了具备逻辑运算功能的双栅异质结光电二极管，研究了二/三维异质结场效应晶体管在光电探测领域的光电性能及优势。另外探索了器件在偏振敏感探测方向的应用，为无人驾驶、人脸识别及光学雷达等实际应用提出了新的电子器件单元。
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着集成电路技术的高要求化，单个芯片上集成的晶体管数量越来越多，集成度的提高在提升芯片性能的同时要求低成本，因此，当硅基集成电路的工艺节点降到10 nm以下时，受体硅材料的物理极限限制，摩尔定律难以持续。一方面，短沟道效应带来的负面影响，例如漏致源势垒降低效应和热载流子效应等，使器件的亚阈特性和开关特性恶化，难以持续降低功耗。另一方面，高集成度对工艺的要求也更加苛刻，比如光刻工艺需要极紫外光刻技术来制造尺寸更小的器件，后道工艺中需要快速提升互连密度等，工艺的研发费时且成本高。为了抑制晶体管的短沟道效应对增强其栅控能力，研究人员在器件结构上持续创新，提出了互补场效应晶体管（Complementary Field Effect Transistor, CFET）[1-2]、鳍形栅场效应晶体管（Fin Field Effect Transistor , FinFET）[3-5]、环栅场效应晶体管（Gate-All-Around Field Effect Transistor, GAAFET）[6-7]等，通过提高栅的维度来增强栅控能力，从而降低栅极泄漏电流。另一种策略是在平面工艺的基础上，通过减薄沟道厚度来优化栅极控制能力。但是降低体硅材料的厚度之后，会带来难以解决的缺陷以及悬挂键等问题，同时会限制载流子迁移率，从而影响器件的整体性能。
针对三维（3D）半导体厚度降低所面临的困境，人们开始把目光转向无悬挂键、高载流子迁移率的二维（2D）半导体材料。2004年，Geim在曼彻斯特大学的团队首次成功从石墨中分离出单层石墨烯（Gr）[8]，这是第一个通过机械剥离法得到的二维半导体材料。该材料具有独特的零带隙结构、远高于硅的载流子迁移率，其单层薄膜的厚度只有0.335 nm，由其制成的石墨烯晶体管为摩尔定律寿命的延迟提供了切实可行的方案。
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1.2 二维材料的研究与发展
基于石墨烯优异的电学、热学及力学特性，研究人员逐渐将其应用于微纳加工、生物医学、新能源电池和航空航天等领域。尽管石墨烯在各领域的应用有诸多优势，但零带隙的特点限制了其在开关器件中的应用。与石墨烯不同，MoS2、WS2和WSe2等不同带隙的过渡金属硫族化合物（TMDCs）开关比高的特点保证了其在逻辑电路应用中的准确率和实用性[9]。石墨烯、TMDCs、六方氮化硼及其他二维材料的结合，可以制备出原子薄层且性能优异的器件。此后，相关研究百花齐放，为二维材料在光电探测、传感器、太阳能电池、偏振敏感、多栅控制、逻辑计算等领域的应用提出了多种可能。由于基于二维材料的单个器件性能优异，研究人员开始将目光转向阵列器件的研发，但是获得均匀、大尺寸、高质量的TMDCs薄膜始终面临着严峻的挑战，目前已经投入了大量的精力研究制备大面积单层TMDCs的方法。
1.2.1 石墨烯
石墨由多层二维石墨烯通过弱范德华键结合在一起组成，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。石墨烯是二维碳的同素异形体[10]，在自然界中比较常见，只是剥离出单层结构的难度较大。铅笔在纸上轻划过后可能会留下几层甚至单层石墨烯的痕迹，通过按压将铅笔痕迹印到相邻纸上的操作也验证了石墨烯层之间范德华力耦合较弱的特点，可以通过多次的机械剥离得到薄层石墨烯。石墨烯是零带隙半导体材料，能带结构独特，因此具有许多吸引人的电子特性。2008年，哥伦比亚大学的Kim小组使用机械剥离方法制备的单层石墨烯在室温下的载流子迁移率超过200000 cm2 V-1 s-1 [11]。石墨烯不仅具有优异的光电性能和力学性能，而且具有极强的机械强度，使其在透明导电电极、光电探测、复合材料、柔性和可拉伸电子产品等方面应用颇多。
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第二章 异质结器件的制备与表征
2.1 异质结器件的制备
2.1.1 图案化衬底的制备
本文中的图案化衬底制备及电极蒸镀先于二维材料的转移，以避免在二维材料上蒸镀电极时因破坏晶格而产生影响器件性能的费米钉扎效应。图案化衬底的制备工艺为标准的Si工艺，具体的步骤如下：
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2.1.2 二维半导体材料的制备与转移
机械剥离是最常见的制备薄层二维材料低成本方法之一，由于二维材料层与层之间是通过弱的范德华力连接，一般我们用蓝膜或者玻璃胶带从块状半导体材料上剥离出薄层晶体，可以根据晶体的特性选择更适用的胶带类型。该方法操作简单，且能得到晶体质量较好、电导率高的薄层半导体材料，是实验室中比较适用的二维材料制备方法之一。具体的操作过程为：用镊子夹取块体二维材料平铺至胶带或蓝膜上，利用外力反复对撕来获得更薄的二维材料，对撕的次数与二维材料面积大小成反比，因此需控制对撕次数来获取大小、厚度合适的材料；接着将聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）硬膜一侧贴在载玻片上，软膜一侧按压在胶带或蓝膜上获得层状材料；最后在图2.8所示的三维转移平台及光学显微镜的辅助下，可通过手动或软件控制来调整X、Y、Z三个坐标轴的位置，将选择好的材料对准并按压在图案化衬底上，利用PDMS在80°C的热释放特性将目标材料留在衬底上。
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2.2 异质结器件的表征
2.2.1 拉曼光谱
拉曼光谱是一种利用散射光来测量样品振动能量模式的分析技术，通过测量样品的拉曼散射可以获得其化学和结构信息，以拉曼频移的特征来识别物质。高强度的激光照射到物质时，使得高能量光子与分子内的电子碰撞，大多数散射光与入射激光波长相同，这种散射称为瑞利散射。还有极小一部分光子发生非弹性碰撞，将部分能量传递给电子，此时散射光的波长就不等于入射光的波长，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，这种散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱。一般拉曼谱图由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼位移和强度，谱峰清晰尖锐，每个峰对应于一种特定的振动模式，在半导体材料的表征中适合运用差异分析进行定性研究。
2.2.2 原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是分析材料表面形貌的一种常见方法，可对多种不同材质的表面成像，其分辨率高达亚纳米级。AFM的工作原理：将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。在针尖与被测材料表面的恒定作用力下，带有针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面发生弯曲与移动，利用打在悬臂末端的激光放大这种弯曲和移动后，用光电二极管检测并转化为电信号，将信号放大即可在分析软件中而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像，最终实现材料表面形貌的测量分析数据。该方法常用于表征二维材料异质结器件中不同半导体材料的厚度信息，注意样品表面不能过于粗糙，容易损坏针尖。
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第三章 GeS e/WSe2异质结器件制备及光电特性研究 ...................... 27
3.1 研究背景 ................................................ 27
3.2 GeS e/WSe2异质结构制备及表征 ........................... 27
第四章 偏振敏感GeS e/Ge异质结器件光电特性的研究 ......................... 41
4.1 研究背景 ....................................... 41
4.2 GeS e/Ge异质结场效应晶体管的材料表征与器件制备 ................................ 42
第五章 总结与展望 .................................... 55
5.1 本文工作内容总结 ................................. 55
5.2 进一步的工作展望 .............................. 56
第四章 偏振敏感GeS e/Ge异质结器件光电特性的研究
4.2 GeS e/Ge异质结场效应晶体管的材料表征与器件制备
4.2.1 GeS e/Ge异质结器件的材料表征和能带结构
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图4.1（a）展示了GeS e/Ge HJFET的结构示意图，插图展示了单层GeS e的原子结构。如图4.1（b）的光学显微镜图像显示，我们选取未掺杂的Ge衬底（i-Ge）作为背栅，高载流子迁移率的GeSe为沟道材料[69-71]。在这里，Ge的电子亲和势和带隙分别为4.13 eV和0.67 eV，GeS e的电子亲和势和带隙分别为3.2 eV和1.16 eV[72]。由于GeSe是p型材料，Ge未掺杂，形成了GeSe/Ge的II型能带对准结构，如图4.1（c）所示。在图4.1（d）中，通过原子力显微镜测得GeSe厚度为45 nm。此外，多层GeSe （10~80 nm）的带隙固定在1.1~1.2 eV范围内[4.20-21]，不再随厚度的增加而变化。图4.1（e）展示了在图4.1（b）中灰色星的位置测量的拉曼光谱，层状GeS e在153和189 cm−1附近有两个峰，对应于B3g模式（Ge和Se原子在之形方向上的面内相反振动）和Ag模式（Ge和Se原子在扶手椅方向上的面外相反振动）[52]，且在拉曼光谱的301 cm-1处，也能观察到Ge的特征峰。
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第五章 总结与展望
5.1 本文工作内容总结
论文以半导体材料GeS e在光电器件领域的应用为出发点，设计并实现了具备逻辑运算功能的双栅异质结光电二极管，研究了二/三维异质结场效应晶体管在光电探测领域的光电性能及优势。另外探索了器件在偏振敏感探测方向的应用，为无人驾驶、人脸识别及光学雷达等实际应用提出了新的电子器件单元。本文的工作内容可以总结为以下几点：
1、在Si衬底上设计了石墨烯顶栅的GeS e/WSe2异质结光电二极管，器件在独立栅作用下能够实现从p-GeSe/n-WSe2结和p--GeSe/p+-WSe2结，其中p--p+结的整流比高达3个量级。在栅压作用下，器件对532 nm可见光的探测性能优异。
该项工作的创新点在于利用双栅结构和光照条件调控异质结的光电特性，研究对GeS e/WSe2异质结的源漏电流的影响，通过分析验证该器件具备逻辑“或”和“同或”的运算功能。在光电流Mapping扫描和能带结构的辅助下，分析了器件在双栅作用下内部的工作机制及载流子的移动方向。另外，GeSe/WSe2异质结在可见光作用下具有各向异性光吸收，可以实现偏振敏感探测，在顶栅调制下形成p--p+结和p-n结的各向异性光电流比分别为3.29和3.96。器件的亮点在于降低了功耗，在更小的栅压范围内实现了p--p+结到p-n结的调控；另外增加的顶栅石墨烯层，使得GeSe/WSe2异质结器件的应用拓展到逻辑运算，丰富了其应用场景。
2、提出了栅极和沟道直接接触的GeS e/Ge HJFET结构，与GeS e MOSFET相比，其在小栅压范围内开关特性优异，结合器件剖面图的载流子流动分析了器件的工作原理。接着，通过测试及表征的数据计算出GeS e/Ge HJFET器件沟道载流子迁移率高达110.26 cm2 V-1 s-1。
参考文献（略）