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基于石墨烯的新型微纳电子器件研究

博士研究生:田禾

指导教师:任天令 教授

所属院系:微电子与纳电子学系

论文摘要

随着Moore’s law的发展，晶体管沟道尺寸不断等比例缩小。微纳电子技术已进入14nm节点，然而随着厚度进一步的下降，传统硅基材料迁移率会显著降低。以石墨烯为代表的二维材料具有优异的迁移率，有望支持More Moore的发展，并且石墨烯具有优异的力、热、光、电特性，有望在More than Moore方向取得突破。本论文以基于石墨烯的新型微纳电子器件研究为核心，从石墨烯器件的材料制备、性能表征、物理机制、器件集成方面开展较为系统的研究，获得了一系列基于石墨烯的新型晶体管、存储器、声源器件、力学传感器、发光器件、热整流器等，拓展了石墨烯器件的研究空间，为新一代微纳器件技术的发展奠定了基础。

论文首先研究了石墨烯材料的制备及图形化。提出了在绝缘基底上直接生长石墨烯技术，获得了具有较高迁移率的石墨烯微米条带。通过激光照射悬空石墨烯，调控了石墨烯形状。采用了激光直写石墨烯技术，可通过单步工艺实现大面积石墨烯的生长和图形化，可作为石墨烯器件的一体化加工平台。

其次，研究了新型石墨烯晶体管和存储器。提出了石墨烯与二硫化钼构成的异质结晶体管，结合了石墨烯高迁移率和二硫化钼宽带隙的优势，晶体管具有高迁移率和高开关比，理论预计进一步降低EOT可突破传统晶体管亚阈值斜率的限制。将石墨烯引入阻变存储器中，大幅降低了存储器的功耗，并通过石墨烯结合拉曼表征揭示了阻变存储器中氧离子移动的机制。还采用激光直写法实现了具有Fin结构的石墨烯阻变存储器，具有柔性和低工作电压的特点。并提出了栅控阻变存储器，结合双层石墨烯和栅控实现了存储窗口可调。

另外，研究了新型石墨烯传感器和执行器。实现了柔性和透明的石墨烯声源器件，在宽频域内具有平坦的声输出，并实现了新型石墨烯耳机。实现了具有高灵敏度的石墨烯应力传感器和压力传感器，并验证了能量收集，并在石墨烯中观察到巨压电效应，压电系数比传统压电体材料高两个数量级。在石墨烯中观察到了电致发光现象，并实现了发光波长可调，对于当代发光器件具有重要价值。还结合材料不对称结构和声子输运整流特性，实现了石墨烯热整流器。

最后，研究了新型石墨烯器件片上集成方法，建立了一套将版图图形等比例转换为激光直写图形的设计方法，实现了晶圆级、高性能和低成本的石墨烯器件组，片上集成了石墨烯晶体管阵列、光电探测器阵列以及扬声器，有望推动石墨烯微纳电子器件的发展。