硅烯-硅醚异质结纳电子器件的设计与研究文献综述

 2022-03-18 21:23:08

文献综述

继石墨烯被发现合成之后,二维石墨醚及硅醚材料被预测为新型半导体。硅烯这个概念首先是由K.Takeda和K.Shiraishi在1993年提出的,G.G.Guzmaacute;n-Verri等[16]在2007年通过研究将其正式命名为硅烯(Silicene)。然而单独剥离的硅烯在自然界中是不存在的,没有类似于石墨的固态硅类。硅烯不能像石墨一样通过剥离方法产生单层物理结构,因此,必须考虑更复杂的方法来生长或合成硅烯。有的金属不会与硅原子有很强的相互作用,也不会与硅形成化合物,那么其中一种方法就是在这种金属表面沉积硅来人工合成硅烯。硅醚是含有硅原子与烷氧基以共价键键合的一类化合物,常见的硅醚有:三甲基硅基(TMS),叔丁基二苯基硅基(TBDPS),叔丁基二甲基硅基(TBS/TBDMS)和三异丙基硅基(TIPS)。

自从 Novoselov 等在 2004 年首次制备和分离出单层石墨烯,具有独特物理性质的二维材料一直是纳米科学和纳米技术领域的研究热点之一。由于其优异的电子、力学和光学性能,二维材料在过去的几年中引起了人们的关注,并得到广泛的应用。此外,二维材料在能量转换和存储、电磁响应材料和器件等方面也具有良好的应用前景。如石墨,Mxene,过渡金属硫族化合物,黑磷烯和 g-C3N4 等二维材料具有特殊的电磁性能和吸收屏蔽性能,它们在微波吸收、电磁干扰屏蔽、信息安全、电磁防护和电磁波成像等领域有着巨大的发展潜力。

二维半导体应用于电子器件最大的挑战市它们与金属电极界面上形成的高接触电阻。在某些情况下,界面对器件性能的影响甚至比半导体本身更重要,所以有“界面即是器件”的说法。因此金属电极的选择也很重要。目前最常用的获得界面低电阻的方法就是改变金属电机的功函数和纬度。

于是,在对单一的二维材料进行深入研究的同时,另一个研究领域也同时出现,即由不同的二维材料耦合形成的异质结构。迄今为止,已有许多实验和理论方法来 研究二维异质结构的优点,如石墨烯/氮化硼、砷烯/锑烯、砷烯/石墨烯。这些研究表明,异质结构具有优异的光学和电子性能,被认为是极有前景的新型微电子器件。例如,Chen 等研究了硅锗和氮化硼(BN)结合形成的异质结构,结果表明异质结构的带隙相对于单层 SiGe 扩大到约 57 meV。此外,异质结构合成了两个单分子层的光学性质,并主要增强其在紫外光区的光学性质。因此,更有利于异质结构在微电子和光电子领域的应用。

在场效应晶体管中金属作为源极和漏极与外电路链接,二维半导体作为沟道吸附在介电材料上。与金属电极吸附在半导体上一样,半导体吸附在介电材料上也有两种方法,一种是1通过机械剥离的方法获得二维半导体然后再直接转移到介电材料上,另一种是通过蒸镀方法直接生长在介电材料上。介电材料吸附在导电基板上形成背栅结构,通常用20-300nm氧化的sio2吸附在重掺杂的si上,热氧化的sio2为介电材料而重掺杂的si作为基板。

当晶体管处于工作状态时,源极和漏极都通入电源,而器件中的电流由栅 电压控制。半导体是晶体管中的核心组成部分,但是它与金属电极界面的接触 电阻也严重影响晶体管器件的性能。图 c 是基于多层 MoS2 的场效 应晶体管示意图,图中箭头代表了电子输运的方向。

正如前文所讲的肖特基势垒对电子器件的输运行为有很大的影响[53],而 它的大小与金属-半导体异质结的电子结构直接相关。在肖特基-莫特极限下, 肖特基势垒可以通过孤立体系相对于真空能级的能带对齐获得:

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