不同衬底对石墨烯FET工作特性影响及其ESD失效机理研究

Substrate plays a crucial role in preserving the superb operation performance of graphene FETs. In this proposal, we will systematically study the substrate impact and metal-graphene contact reliability on the electronic transport properties of graphene FETs. By combining CVD assembled graphene FET experiments with ab initio theory and NEGF electronic/thermal transport modeling of graphene transistors on various 2D (BN and fluorinated-graphene) and typical 3D silicon-based substrates, we study how the corrugated and terraced substrates change the effective carrier mobility, transconductance, leakage current, and gain of graphene FETs. The break-down mechanism of metal electrode-graphene contacts and ESD properties of graphene FETs will also be investigated. Our work will promote the high performance and reliability of graphene FETs on various substrates.

在实际器件制造过程中，石墨烯FET的优越性质会因衬底的影响而发生重大变化。本项目提出将石墨烯与衬底相互作用直接融入石墨烯FET器件设计理念，通过实验和第一性原理与量子电热输运理论相结合，系统研究不同衬底对石墨烯FET器件工作性能影响与器件静电放电ESD失效机理。研究以硅基和二维氮化硼与氟化石墨烯为代表的衬底界面，因衬底表面凹凸台阶形貌、堆叠方式、错位等实际工艺原因对石墨烯FET迁移率、跨导、漏电流、增益等器件工作性能的影响，并分析金属电极与石墨烯接触连接在外界强电流与瞬态脉冲电压等干扰下的失效关键因素，通过制造与测试获得在不同衬底上石墨烯FET器件对ESD的响应、维持和崩溃的电压/电流以及失效机理，设计并验证可靠性更高、性能更优的新型石墨烯FET概念器件，为石墨烯信息器件的发展提供理论预测和关键制造技术指导。

发展石墨烯信息器件与相关技术对立足未来高科技领域至关重要,石墨烯拥有众多独特性质,使其很适合于制作高性能器件,而这些优越性质在实际器件制造过程中,会因衬底的影响而发生较大变化。本项目根据石墨烯信息器件的发展趋势,结合硅基衬底材料器件的传统优势,充分考虑将石墨烯与经典硅材料相结合,以及石墨烯与二维衬底(氮化硼和氟化石墨烯等)相组合的方式, 从实验上研究了衬底对石墨烯各项特性的影响，还系统的通过仿真模拟计算解释了其微观机理，同时也提出了针对石墨烯特殊二维结构在非接触下和衬底接触下的相关表征方法。在此基础之上制备的基于石墨烯的相关材料的特性得到了有效提高，制备的基于石墨烯的二维光电器件取得了创新性的成果。除此之外，我们还对石墨烯等二维材料和传统的三维材料接触带来的问题进行了详细的分析与讨论。本项目提出的将石墨烯与衬底相互作用直接融入石墨烯器件制造与设计的理念与方法 ,为今后石墨烯信息器件的发展提供了理论支持和技术指导。