低维纳米结构量子电容的表征与其在场效应管中的应用研究

在低维纳米结构（一维碳纳米管、纳米线，二维石墨烯等）中，量子电容的影响是决定纳米结构电特性的重要因素之一。如何表征低维纳米结构的量子电容是半导体纳米器件的基础科学问题。本项目拟从理论计算和实验工作两方面深入研究低维纳米结构的量子电容，通过模型将系统能量的各个分量与电容的组成部分一一对应起来，并与实验进行比较。通过紧束缚模型和第一原理模型分别计算能带结构和电子间的交换关联能，进而建立低维纳米结构量子电容的模型。同时在对量子电容机理和规律深入了解的基础上，设计和制作出适合于测量量子电容的双栅极碳纳米管场效应管，搭建电容电桥以测量极微小的碳纳米管电容，约为aF量级。通过模型和实验结果分析，可以扬长避短，提出利用量子电容的器件、电路结构，或将其不希望的影响限制到最小。

量子电容的影响是决定纳米结构电特性的重要因素之一。如何表征低维纳米结构的量子电容是半导体纳米器件的基础科学问题。本项目从理论计算和实验工作两方面深入研究低维纳米结构（二维石墨烯）的量子电容。通过紧束缚模型和第一原理模型分别计算能带结构和电子间的交换关联能，进而建立低维纳米结构量子电容的模型。设计和制作出适合于测量量子电容的石墨烯场效应管，实验测量石墨烯场效应晶体管的量子电容。. 针对选用的二维石墨烯材料，首先开展了其量子电容的理论分析和计算，建立了石墨烯量子电容的理论模型。实验方面，经过优化在Pt衬底上生长出了高质量的石墨烯，采用电解法转移石墨烯，减少了工艺过程中的残留物。经过优化所制备石墨烯的电子迁移率达到了40,500 cm^2/v.s，空穴迁移率达到了44,600 cm^2/v.s。采用埋栅技术，获得了3.1nm（EOT）的栅控。采用下层Al，上层Pt的双面接触技术，使得所制备石墨烯FET的源漏接触电阻减少了40%，所测得的量子电容为0.7μF〖cm〗^(-2)。所制备500nm栅长石墨烯FET器件良率达到80%，叉指器件获得>50mA输出电流；埋栅和双面接触的应用使得在Vds= 0.1V下获得21μS/μm 跨导，及17GHz截止频率；混频器获得4GHz带宽，-26dB增益，为见诸报道的最高水平。