【摘 要】
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随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的特征尺寸逼近物理极限,功耗问题成为制约集成电路芯片性能提升的主要瓶颈。而半导体场效应晶体管功耗与器件的亚阈值摆幅密切相关。由于载流子分布受玻尔兹曼热力学定律的限制,传统场效应晶体管的亚阈值摆幅存在60 mV/dec的理论极限。引入铁电负电容可以放大栅极电压对沟道的控制作用,使晶体管器件突破这一理论极限值。由此,铁电负电容场效应晶体管成为发展低压
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随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的特征尺寸逼近物理极限,功耗问题成为制约集成电路芯片性能提升的主要瓶颈。而半导体场效应晶体管功耗与器件的亚阈值摆幅密切相关。由于载流子分布受玻尔兹曼热力学定律的限制,传统场效应晶体管的亚阈值摆幅存在60 mV/dec的理论极限。引入铁电负电容可以放大栅极电压对沟道的控制作用,使晶体管器件突破这一理论极限值。由此,铁电负电容场效应晶体管成为发展低压低功耗器件的重要研究方向。但传统铁电材料由于界面缺陷以及临界尺寸效应的影响,在构建高集成度的超低亚阈值摆幅器件方面仍面临着严峻挑战。对此,本文拟利用二维铁电材料CuInP2S6室温附近的居里温度、原子级厚度以及高界面质量的优势,以二维铁电CuInP2S6负电容效应的纳米电子及光电器件为研究对象,构筑了负电容场效应晶体管,并且系统研究了器件的电学特性以及光电特性。本文具体的研究内容如下:（1）研究了二维铁电材料CuInP2S6的光电及铁电特性。光电响应测试确定CuInP2S6响应的极限波长小于633 nm。PFM测试结果表明CuInP2S6样品具备良好的铁电极化特性。通过电学和变温测试确定CuInP2S6样品的矫顽场为7.89*10~4 V mm-1,居里温度约为320 K。为制备二维CuInP2S6负电容器件打下基础。（2）系统研究了CuInP2S6/MoS2二维铁电负电容场效应晶体管的电学特性,探明了沟道载流子浓度、CuInP2S6厚度、CuInP2S6铁电性以及栅压扫描参数对器件电学特性的影响规律,成功实现了亚阈值摆幅低至24.9 mV/dec、回滞为430 mV的二维负电容晶体管器件。通过界面工程和电容匹配两个角度优化器件性能,结果表明,优化电荷传输界面可改善二维负电容器件的稳定性,使器件的亚阈值摆幅均匀分布在50 mV/dec左右;调控匹配电容可将器件回滞电压降低至132 mV。这部分工作为二维铁电负电容应用提供实验依据。（3）系统研究了Gr/CuInP2S6/MoS2二维铁电负电容场效应晶体管的光电特性。研究实现了探测率可达1.7*10~6cm Hz1/2 W-1、响应度为23.4 A W-1、外量子效率为5456%以及百毫秒量级光电响应时间的二维负电容光电探测器,相对于Si O2衬底的MoS2晶体管结构的光电探测器,其探测率提升了四个数量级,光电响应时间降低了一个数量级,表明二维铁电CuInP2S6的负电容结构可有效改善MoS2自身的光电探测性能,为制备新型光电探测器件提供了新的思路。
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