基于二维过渡金属二硫化物（TMDs）应变和金属-半导体（MS）接触优化的晶体管性能研究

第1章 绪论

1.1 前言（硅基晶体管的发展和迁移率的限制以及二维材料的取代潜力）

在过去几十年中，硅基晶体管一直是集成电路技术的核心。然而，随着电子器件尺寸的不断缩小和集成度的提高，硅基晶体管面临着许多限制。其中之一是迁移率的限制，即电子在材料中的运动速度。硅材料的迁移率已经接近极限，限制了晶体管的性能进一步提升。

为了突破迁移率限制，并实现更高性能的晶体管，研究人员开始关注二维材料的潜力。二维材料具有独特的物理和电子特性，可以在纳米尺度下实现高迁移率和优异的电子传输特性。因此，二维材料被认为是硅基晶体管的潜在替代品。

1.2 基于二维材料晶体管

1.2.1 TMDs材料的简介

二维过渡金属二硫化物（TMDs）是一类具有特殊结构和优异性能的二维材料。TMDs由一个过渡金属层（如钼或钨）和两个硫原子层组成，具有层状结构。TMDs材料的层状结构赋予其许多独特的性质，如可调节的能隙、高载流子迁移率和良好的机械强度。

TMDs材料被广泛研究，并在光电子器件、传感器和能源存储领域等方面显示出巨大的潜力。它们具有较高的光吸收系数和较长的光生载流子寿命，可用于制备高效的光电转换器件。此外，TMDs材料还具有优异的电子传输特性，可应用于高速晶体管和柔性电子器件等领域。

1.2.2 基于二维材料的晶体管的概述

基于二维材料的晶体管是一种利用二维材料作为通道材料的晶体管结构。相比传统的硅基晶体管，基于二维材料的晶体管具有更高的迁移率和更小的尺寸效应。

目前，基于二维材料的晶体管主要包括两种结构：FET（场效应晶体管）和RTD（隧道调制二极管）。其中，FET是最常见的二维材料晶体管结构，利用外加电场控制通道中的载流子传输。RTD则利用二维材料中的电子隧穿效应实现电流的调制。

1.2.3 二维TMDs-FET性能的提升

为了进一步提升二维TMDs-FET的性能，研究人员提出了许多方法和策略。其中一种方法是通过改变TMDs材料的层数来调节其电子特性。实验和理论研究表明，少层TMDs材料（如单层或双层）具有更高的迁移率和更好的电子传输性能。

此外，应变也被证明是提升TMDs-FET性能的有效手段。通过施加外部应变，可以改变TMDs材料中的晶格结构，进而调节其电子特性。应变可以改变载流子的有效质量和传输特性，并改善晶体管的开关速度和迁移率。

1.3 单层TMDs-FET的结构和制备

1.3.1 少层二维的获取

为了制备单层TMDs材料，研究人员发展了许多方法和技术。常用的方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和溶液剥离法等。

机械剥离法是最早被开发和应用的方法之一。该方法通过使用胶带或刮刀等工具将TMDs材料从其母体材料上剥离下来。机械剥离法简单易行，但存在样品质量不一和生产效率低的问题。

化学气相沉积法是一种常用的制备单层TMDs材料的方法。该方法利用化学气相沉积技术在基底上生长单层TMDs材料。化学气相沉积法具有高生长速率和较好的控制性能，可以制备高质量的单层TMDs材料。

溶液剥离法是一种较新的制备单层TMDs材料的方法。该方法通过将多层TMDs材料浸泡在溶液中，利用溶液中的化学反应将多层材料剥离成单层。溶液剥离法简单易行，可以制备大面积的单层TMDs材料。

1.3.2 少层TMDs-FET的结构

少层TMDs-FET的结构包括源极、漏极、栅极和通道。源极和漏极是用于注入和收集载流子的电极，栅极用于控制通道中的载流子传输。通道是由少层TMDs材料构成的，其厚度通常在几个纳米到数十个纳米之间。

为了实现高性能的少层TMDs-FET，研究人员采用了各种技术和方法来改善器件结构。例如，引入高介电常数的栅介质可以提高栅电场的效应，进而增强载流子的控制性能。此外，优化源漏电极的接触性能也是提升器件性能的关键。

1.3.3 单层TMDs-FET的性能概述

单层TMDs-FET具有许多优异的性能。首先，单层TMDs材料具有非常高的迁移率，可以达到数百到数千平方厘米每伏特秒。这意味着载流子在材料中的运动速度非常快，有利于实现高速的电子传输。

其次，单层TMDs-FET具有较小的电荷掺杂效应。由于材料厚度较薄，载流子在通道中的运动受到周围环境的较少干扰，从而降低了载流子散射和电荷掺杂效应。

另外，单层TMDs-FET还具有优异的开关特性。由于材料具有较小的电子质量和较高的迁移率，载流子在通道中的运动速度非常快，可以实现高频率的开关操作。

1.4 应变提升TMDs-FET的性能

1.4.1 传统硅基FET的应变

应变技术是一种常用的提升传统硅基FET性能的方法。通过施加机械应变或热应变，可以改变硅基材料的晶格结构，进而调节其电子特性。

传统硅基FET中常用的应变技术包括压应变和拉应变。压应变通过施加外部压力使晶体收缩，压缩晶格，增加载流子的迁移率。拉应变则通过拉伸晶体使晶格拉长，降低载流子的有效质量。

1.4.2 TMDs的应变研究

近年来，研究人员开始研究应变对TMDs材料性能的影响。实验和理论研究表明，应变可以显著改变TMDs材料的电子特性。

在TMDs材料中，应变可以改变晶格结构，影响晶格常数和晶格对称性，进而调节材料的能带结构和载流子的传输性能。具体来说，压应变可以增加TMDs材料中的能带间隙，增加载流子的迁移率。拉应变则可以降低能带间隙，改变载流子的有效质量。

1.4.3 通过应变提升TMDs-FET的性能概述

通过应变技术可以显著提升TMDs-FET的性能。首先，应变可以调节TMDs材料的能带结构，改变载流子的有效质量和能隙大小。这可以增强载流子在通道中的传输特性，提高晶体管的迁移率和开关速度。

其次，应变还可以抑制载流子散射和电荷掺杂效应，提高器件的稳定性和可靠性。由于应变可以改变晶体的晶格结构和载流子的传输特性，可以减少载流子的散射和电荷掺杂效应。

最后，应变技术具有可控性和可调节性。通过调节应变的大小和方向，可以实现对TMDs-FET性能的精确调控。这为实现高性能的TMDs-FET提供了新的途径和策略。

1.5 优化MS接触增强TMDs-FET的性能

1.5.1 MS接触概述

金属-半导体（MS）接触是晶体管中的重要部分，直接影响载流子的注入和收集效率。优化MS接触可以显著改善晶体管的性能。

MS接触的性能取决于接触电阻和接触电势垒。接触电阻和接触电势垒越小，载流子的注入和收集效率越高，晶体管的性能越好。

1.5.2 范德华MS接触的研究

近年来，研究人员开始研究范德华（Van der Waals）MS接触。范德华MS接触是通过将二维材料与金属电极之间的范德华力相互作用来实现的。

范德华接触具有许多优势。首先，范德华接触可以减小接触电阻和接触电势垒。由于范德华接触不涉及化学键的形成和破坏，可以实现非常低的接触电阻和接触电势垒。

其次，范德华接触可以实现高度可调节性。通过选择适当的二维材料和金属电极，可以调节范德华接触的性质和特性。这为优化MS接触提供了新的途径和策略。

1.5.3 MS界面掺杂提升FET的性能

在优化MS接触的过程中，界面掺杂被广泛研究。界面掺杂是通过在二维材料和金属电极之间引入掺杂剂来实现的。

界面掺杂可以改变范德华接触的性质和特性。例如，引入n型或p型掺杂剂可以调节接触电势垒，提高载流子的注入和收集效率。此外，界面掺杂还可以改变范德华接触的能带结构，进一步优化晶体管的性能。

1.6 本论文的研究目的、意义和内容

1.6.1 研究目的和意义

本论文的研究目的是探索和优化基于二维TMDs材料的晶体管的性能。具体而言，本论文将重点研究如何通过应变和MS接触优化TMDs-FET的性能。

研究应变对TMDs-FET性能的影响可以提供设计和制备高性能TMDs-FET的指导。了解应变对TMDs-FET性能的调控机制，可以为实现高迁移率、高开关速度和低功耗的晶体管提供新的途径和策略。

优化MS接触可以提高载流子的注入和收集效率，进一步改善TMDs-FET的性能。研究范德华MS接触和界面掺杂对TMDs-FET性能的影响，可以提供设计和制备高性能晶体管的新思路和方法。

1.6.2 研究内容

本论文的研究内容包括以下几个方面：

首先，将研究TMDs-FET的基本原理和性能。通过理论分析和仿真计算，探索TMDs-FET的电子传输特性和器件性能。

其次，将研究应变对TMDs-FET性能的影响。通过实验和模拟，研究应变对TMDs材料的能带结构和载流子传输特性的调控作用。

然后，将研究范德华MS接触的性质和特性。通过实验和理论计算，探索范德华接触的电子传输机制和调控方法。

最后，将研究界面掺杂对TMDs-FET性能的影响。通过改变二维材料和金属电极之间的界面掺杂，优化范德华接触的性能和特性。

通过以上研究内容，本论文旨在提供一种优化基于二维TMDs材料的晶体管性能的方法和策略。这将为实现高性能的二维材料晶体管提供理论基础和技术支持。