固态化学气相沉积二硫化钼之钯电极背闸极式场效晶体管特性研究Characterization of MoS2 Back Gate FET by using Solid CVD with Pd Contact Electrode for Monolayer Ultra-Thin Body Transistor中文摘要本篇论文主要是针对近年来新兴热门的二维材料(2D material)二硫化钼(MoS2)作研究。由于二硫化钼与金属之间的界面有着很高的电阻值，因此针对这个问题去做发挥讨论。我们以二硫化钼作为通道，制作出背闸极式场效晶体管(back gate field effect transistor)。电极选用了铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)、钯(Pd)四种不同的金属材料，利用元件电性上的表现，找出最适合的金属电极，作为未来制作元件上的参考。在元件的制程上，目前主流沉积二硫化钼薄膜的方式主要有三种，分别是剥离法(Exfoliate)、分子束磊晶法(Molecular beam epitaxy)、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)。而我们选用了制程稳定且可以沉积大面积的化学气相沉积法成长二硫化钼薄膜，其层数约68层，厚度为0.63奈米。接着使用溅镀机将以上四种金属，溅镀于元件上约150nm厚，元件的线宽(Gate length)约为微米等级，最后使用简单且迅速的掀离制程(Lift-off process)，将金属附着于特定位置，完成整个背闸极式场效晶体管的制作。完成以上制程后，将元件拿去量测并绘制出Id-Vd与Id-Vg电性图，比较不同金属电极下的元件表现。铂金属在制程上良率极低，元件不易制作。钛金属则有部分元件能够成功制作，但是电性表现不稳定。钨金属与钯金属良率不错，成功率高，元件有明确的运作能力。而钯金属表现最佳，通道长度为10m的二硫化钼晶体管，在闸极偏压为5V的状况下，开启电流可以达到7.9410-7(A/m)。除此之外，此元件的电流开关比大约可以达成34个数量级，有不错的开关能力。因此钯金属在未来电极的应用上有着很大的发展空间。关键字：二维材料、二硫化钼、固态化学气相沉积、掀离制程、金属电极、背闸极式场效晶体管ABSTRACTIn this thesis, we dedicate to the novel two-dimensional materials MoS2. Owing to the high resistance interface between MoS2 and metal contact, we focus on this topic to discuss.MoS2 is used as channel material to fabricate the back gate field effect transistor.By comparing the behavior between Pt, Ti, W and Pd metal contact, we analyze the electrical results and calculate the electrical performance to choose the best metal electrode we can use in the future.In the process of fabrication, there are three main methods to deposit MoS2 film -exfoliation, molecular beam epitaxy and chemical vapor deposition. Due to the fact that it is steady and has large area of deposition, we deposit the MoS2 film by chemical vapor deposition. It was about 68 layers, and the thickness is 0.63nm. Then, the deposition of the metal was done by sputter for thickness of 150nm. Gate length is in micro scale. At last, we use simple and quick lift-off process to complete the metal electrode. The back gate FET would be fabricated.After finishing the fabrication of the device, we measure the electrical results and illustrate the Id-Vd and Id-Vg electrical characteristic to compare the performance of the device. Since the yield is low with Pt electrode, it is hard to fabricate. Though the device can be partly fabricated with Ti electrode, the performance of device is poor. It is high yield with W and Pd electrode. They have great performance in device operation, especially Pd. In 10m channel length, the on current can attain 7.9410-7(A/m) at 5V operation bias. The on/off ratio achieve 103104. It has good ability in operation. Pd electrode has potential in application in the future.Keywords: Two-dimensional material, Molybdenum disulfide, solid chemical vapor deposition, lift-off process, metal electrode, back gate field-effect transistor目录口试委员会审定书i致谢ii中文摘要iiiABSTRACTiv目录v图目录vii表目录ix第一章绪论11.1 半导体元件之微缩极限11.2 半导体元件之历史背景21.3 半导体元件之发展方向41.4 论文架构8第二章二维材料92.1 二维材料的兴起92.2 二维材料的介绍132.2.1石墨烯(Graphene)132.2.2二硫化钼(MoS2)142.2.3黑磷烯(Black Phosphrorene)162.3 二维材料的比较17第三章实验制程步骤223.1 二硫化钼的薄膜成长223.1.1剥离法(exfoliation)223.1.2分子束磊晶(molecular beam epitaxy)243.1.3化学气相沉积法(chemical vapor deposition)253.1.4二硫化钼沉积方法比较273.2 背闸极式晶体管元件的制程283.2.1利用化学气相沉积成长二硫化钼薄膜283.2.2掀离制程(Lift-off)成长电极30第四章元件电性量测结果384.1 电性图绘制与分析384.1.1钛金属电极背闸极式晶体管元件电性394.1.2钨金属电极背闸极式晶体管元件电性404.1.3钯金属电极背闸极式晶体管元件电性41第五章结论与未来规划425.1 结论425.2 未来展望42REFERENE43图目录图1.1终端电子产品的历史发展过程11图1.2近年来逻辑处理器的功率密度成长情形22图1.3摩尔定律下之半导体元件的演进3453图1.4摩尔定律下各世代电子元件的演进状况64图1.5基本场效晶体管的结构与运作75图1.6汲极电流对闸极电压作图观察DIBL效应 (a)长通道 (b)短通道6图1.7目前国际主流团队针对未来晶体管元件架构的主流研究方向。87图2.1二维材料异质结构堆栈910图2.2二维材料分类表911图2.3二维材料元件可挠性之生活应用1112图2.4石墨烯结构图1213图2.5过度金属硫族化物结构图1314图2.6二硫化钼晶格结构图1415图2.7磷烯结构图1516图2.8(a)单层石墨烯、(b)二硫化钼、(c)黑磷的电子能带图1517图2.9材料特性比较 (a)载子迁移率与开关比 (b)振荡频率与输出功率电压1619图2.10二维材料之动态功率指标与晶体管切换之延迟时间和ITRS趋势1821图3.1机械剥离法示意图1922图3.2化学剥离法示意图1923图3.3分子束磊晶示意图2024图3.4利用四硫钼酸铵沉积二硫化钼示意图2125图3.5利用硫粉末与三氧化钼沉积二硫化钼示意图2226图3.6化学气相沉积二硫化钼实验示意图29图3.7二硫化钼沉积腔体内温度变化29图3.8穿透式电子显微镜下之二硫化钼30图3.9曝光微影流程图30图3.10试片旋转涂布31图3.11试片软烤32图3.12试片曝光32图3.13显影后显微镜下的图形33图3.14用两层光阻曝光后的情形35图3.15掀离制程的制作流程示意图37图4.1显微镜下元件完成图38图4.2元件完成品示意图38图4.3钛电极元件电性结果图39图4.4钨电极元件电性结果图40图4.5钯电极元件电性结果图41表目录表2.1三维与二维材料的比较9表2.2二维材料光学、电学、机械、热学特性比较1112表2.3常见半导体材料载子迁移率和能带差的数值18表3.1剥离法、分子束磊晶法、分子束磊晶法、化学气相沉积法比较27表3.2二硫化钼沉积参数28表3.3光阻旋转涂布参数34表3.4溅镀金属分别的参数36表4.1钛电极元件电性结果39表4.2钨电极元件电性结果40表4.3钯电极元件电性结果4112第一章 绪论1.1半导体元件之微缩极限随着科技的发展以及时代的变迁，人类生活中充斥着各种不同的终端电子应用产品，如: 计算机、手机、平板等，电子行动装置的普及确实成功的改变人类世界文明的生活，如图1.1所示。图1.1终端电子产品的历史发展过程1为了提升电子元件的性能与效率，半导体元件必须朝着低功耗与高效能的方向发展，并且微缩其尺寸，来增加晶体管元的密度。然而在半导体元件微缩的过程中，将会面临到许多问题，如: 闸极能产生的电荷量减少、因为通道距离过短形成短通道效应而造成漏电的可