碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能分析

常永嘉，皇 華，黃文龍

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能分析

常永嘉，皇 華，黃文龍

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在Si襯底形成Au電極作為底柵電極，在底柵電極上生長(zhǎng)SiO2薄膜。超聲分散CVD法合成的商用單壁碳納米管(SWCNTs)，使用勻膠機(jī)將單壁碳納米管懸浮液均勻旋涂于SiO2薄膜上。再利用蔭罩式電子束蒸發(fā)技術(shù)，在單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜表面制備漏源電極。該工藝過程避免了碳納米管過多的化學(xué)接觸，有效地保護(hù)了碳納米管的性狀。在室溫條件下對(duì)器件電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析。使用該方法制備的單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有器件性能穩(wěn)定、重復(fù)性和一致性較好等優(yōu)點(diǎn)，并可用于構(gòu)建碳納米管邏輯電路。該方法對(duì)于研究基于碳納米管的大規(guī)模、低成本的集成電路，具有較高的借鑒價(jià)值。

單壁碳納米管;隨機(jī)網(wǎng)絡(luò);場(chǎng)效應(yīng)晶體管;蔭罩式電子束蒸發(fā);底柵

碳納米管(CNT，Carbon Nanotubes)［1］具有獨(dú)特的機(jī)械，熱學(xué)和電學(xué)特性。其載流子傳輸是一維的，意味著其載流子散射的相空間減小，彈道傳輸［2］和相應(yīng)功耗降低。強(qiáng)共價(jià)鍵使得CNT具有較好的機(jī)械特性、熱穩(wěn)定性和抗電遷移性，可以承受109A/cm2的電流密度。碳納米管在結(jié)構(gòu)上分為單壁碳納米管(SWCNT，Single－walled Carbon Nanotubes)和多壁碳納米管(MWCNT，Multi－walled Carbon Nanotubes)，導(dǎo)電性又分為金屬性和半導(dǎo)體性CNT。金屬性CNT是彈道導(dǎo)體，在未來納米電子學(xué)互連技術(shù)中有發(fā)展空間;半導(dǎo)體性CNT遷移率比其他半導(dǎo)體材料高25%，有望在半導(dǎo)體芯片和生物傳感器等應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。

1998年首次制作成功 CNTFET 器件［3－4］，如圖 1所示。采用光刻將一個(gè)SWCNT預(yù)先制作在氧化硅芯片上，跨接兩個(gè)金屬電極。利用重?fù)诫s硅片作為背柵，兩個(gè)金屬電極作為漏源電極，SWCNT起溝道的作用。該CNTFET類似P型FET工作原理，ION/IOFF電流 ＞105。然而該器件寄生接觸電阻較高、跨導(dǎo)低、反向亞閾值斜率高。由于CNT只是簡(jiǎn)單搭在Au電極上，由范德瓦爾斯力吸附在一起，容易造成接觸不良，器件性能下降。

2008年Qing Cao等人設(shè)計(jì)研究了基于單壁碳納米管(SWCNTs)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的中規(guī)模集成電路。在聚酰亞胺材料的柔性襯底上制備集成近100個(gè)單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管［5］。這種基于單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有一定的優(yōu)越性能，例如，器件遷移率為80 cm2V－1s－1，閾值電壓的斜率低于140 mVdec－1。開關(guān)比為105。這項(xiàng)研究代表了目前關(guān)于碳納米管器件及相關(guān)應(yīng)用研究領(lǐng)域的最高水平。

圖1 早期CNTFET結(jié)構(gòu)示意圖

研究表明，基于碳納米管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)特性，主要依賴于碳納米管的結(jié)構(gòu)和直徑［6］。如果用單根碳納米管制成一只晶體管，它的性能將遠(yuǎn)超過目前硅芯片上任何晶體管的性能。但這種制備工藝的困難在于:(1)CNT合成制備時(shí)，部分管子在結(jié)構(gòu)上存在缺陷，這會(huì)導(dǎo)致單根CNT器件的電學(xué)性能有較大差異，降低器件的成品率。(2)單根CNT阻抗高，輸出電流低，因此難以按照集成電路要求，將單根CNT精確定位到單個(gè)碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管上。(3)以目前技術(shù)條件，需要人工組裝單根CNT制備器件，需要幾天的時(shí)間，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。為解決上述問題，利用單壁碳納米管形成的碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜或者碳納米管陣列薄膜，或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)與陣列結(jié)合的形式，代替單根CNT。這種方法，可以最大程度地降低單根CNT器件電學(xué)特性的差異，減小阻抗、增大輸出電流，解決了碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管需要對(duì)單根CNT精確定位的問題［7－8］。

1 實(shí)驗(yàn)

第一步，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在硅襯底表面沉積厚度為50 nm的Au作為底柵電極。

第二步，在底柵電極上，熱氧化生長(zhǎng)一層200 nm的SiO2作為柵絕緣層。

第三步，使用CVD法制成的商用單壁碳納米管來制備單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜。如圖2(a)所示，為高分辨率電鏡觀察的單壁碳納米管圖形。單壁碳納米管的直徑約為2 nm，長(zhǎng)度為10～20 nm。首先將單壁碳納米管在異丙酮溶液中超聲分散2 h，并通過高速離心操作，獲得分散性較好，穩(wěn)定性較高的單壁碳納米管懸浮液。將表面生長(zhǎng)有柵氧化層的硅基進(jìn)行表面清潔處理。使用勻膠機(jī)將碳納米管懸浮液均勻的旋涂于柵絕緣層表面，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r/min。烘干后，便可以在絕緣層表面形成單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜，其SEM圖片如圖2所示，圖2(b)為局部放大圖片。

圖2 單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜SEM圖片

第四步，利用蔭罩式電子束蒸發(fā)技術(shù)形成源漏電極。首先，制作模板，將一定直徑的鎢絲固定在模板上，如圖3(a)所示。然后放置樣品于纏繞有鎢絲的模板下方，并固定好。隨后將樣品放入電子束鍍膜蒸發(fā)系統(tǒng)，利用高能電子束轟擊金屬靶，使之蒸發(fā)，在樣片表面沉積，制備出樣品的源極和漏極。在碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜表面沉積50 nm厚度的Au作為漏源電極，漏源間距即器件溝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5 nm，圖3(b)為電極的局部示意圖。

第五步，將器件在300℃條件下通氬氣退火處理10 min，便可制備得到底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

圖3 蔭罩式電子束沉積法示意圖

2 結(jié)果與分析

圖4為底柵結(jié)構(gòu)碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。在室溫下測(cè)量碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電特性。為避免測(cè)量誤差，進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制備的單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，室溫條件下測(cè)得的電學(xué)信號(hào)依然保持較好的穩(wěn)定性、一致性和重復(fù)性。圖5是在不加?xùn)艍合?，具有良好源漏電接觸的碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，重復(fù)測(cè)得的典型漏源電流與電壓的關(guān)系曲線。在不加?xùn)艍簳r(shí)，漏源電流和電壓基本表現(xiàn)為線性關(guān)系，說明不加?xùn)烹妷簳r(shí)的單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜具有導(dǎo)體特性。實(shí)驗(yàn)表明，制備該器件所使用的商用單壁碳納米管，主要由半導(dǎo)體性碳納米管組成，但含有部分金屬性碳納米管成分。

圖6(b)所示為漏源電壓VDS=－1 V時(shí)，該器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓約為6 V。從轉(zhuǎn)移特性可以看出，單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管是p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其多數(shù)載流子主要為空穴。對(duì)比圖6(a)傳統(tǒng)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線，單壁碳納米管晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線在VGS＜0 V時(shí)，電流變化很小，趨于飽和狀態(tài)。

利用IDS與VGS的關(guān)系來計(jì)算跨導(dǎo)。漏極電流IDS表達(dá)式為

這是計(jì)算漏極電流的薩之唐方程。COX是單位面積柵氧化層電容;，其中d為柵氧化層厚度;εOX為氧化層絕對(duì)介電常數(shù);L是溝道長(zhǎng)度。

在飽和區(qū)(VDS＞VDSAT)，將VDSAT=VGS－VT代入薩之唐方程，可得

有了漏極電流表達(dá)式，利用跨導(dǎo)定義式來計(jì)算跨導(dǎo)，可得

其中，式(3)為飽和區(qū)跨導(dǎo)，柵電容CG=COXWL。

由圖6中漏源電流電壓IDS－VGS關(guān)系曲線可計(jì)算得到，當(dāng)VGS=－20 V，VDS=－1 V時(shí)，器件的峰值跨導(dǎo)為320 ns。該底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管開啟電流約1 μA。從跨導(dǎo)表達(dá)式可以看出，為提高跨導(dǎo)，器件設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮:減小溝道長(zhǎng)度L;減小柵氧化層厚度d，以提高柵電容CG;在NMOS和PMOS兩種結(jié)構(gòu)中，選擇NMOS結(jié)構(gòu)，因?yàn)殡娮拥谋砻孢w移率高于空穴。同時(shí)，由轉(zhuǎn)移特性曲線可以看出，該器件的開關(guān)比較小，原因在于:碳納米管具有1/3的金屬性和2/3的半導(dǎo)體性。當(dāng)碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜中碳管的濃度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致薄膜整體金屬性增強(qiáng)，從而使得器件關(guān)斷電流增大，降低了該器件的開關(guān)比。因此，利用單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，應(yīng)注意薄膜中碳納米管的濃度，盡量減少薄膜中碳納米管的金屬性，以此來進(jìn)一步改進(jìn)器件的性能。

圖7所示，是碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線。當(dāng)柵極所加電壓VGS從－20～0 V逐漸增加時(shí)，曲線的陡直程度逐漸減小，即隨著柵壓增加，漏源電流相應(yīng)減小，主要原因是:當(dāng)柵壓較大時(shí)，垂直于器件表面的縱向電場(chǎng)也較大，多數(shù)載流子在沿溝道漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生更多碰撞，導(dǎo)致載流子遷移率的下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)漏源電壓為負(fù)電壓時(shí)，漏極電流隨著柵壓的改變有較大的變化，即柵壓調(diào)制效應(yīng)明顯。而當(dāng)所加漏源電壓為正電壓時(shí)，漏極電流基本不隨柵壓改變而變化，其原因在于:該器件多數(shù)載流子為空穴，當(dāng)施加的漏源電壓為正電壓時(shí)，空穴要越過一個(gè)較高的能量勢(shì)壘，產(chǎn)生漏源電流的載流子數(shù)量較少，使該器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖7 單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性曲線

3 結(jié)束語

成功制備了單壁碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并對(duì)器件的電特性進(jìn)行了測(cè)量和分析。從輸出特性曲線可以觀察到明顯的柵壓調(diào)制效應(yīng)。然而由于制備的碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜中碳管濃度較高，導(dǎo)致金屬性較大，轉(zhuǎn)移特性曲線顯示器件開關(guān)比較低?？梢酝ㄟ^降低碳納米管濃度以及消除金屬性影響等途徑進(jìn)一步提高器件性能。

研究表明，使用該方法制備的碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有器件性能穩(wěn)定，工藝過程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為碳納米管相關(guān)器件的研究和發(fā)展做出了有益的探索。利用蔭罩式電子束蒸發(fā)技術(shù)，可以使碳納米管避免過多的化學(xué)接觸，有效保護(hù)了碳納米管的純度和電特性。

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Research on the Electron Characteristics of Carbon Nanotubes Random Networks Field Effect Transistors

CHANG Yongjia，HUANG Hua，HUANG Wenlong
(School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

The bottom-gate electrode is deposited on the Si substrate with electron beam evaporation method.Thin film of SiO2is grown on the bottom-gate electrode.The suspending liquid with single-walled carbon nanotubes(SWCNTs)which are fabricated by the commercial SWCNTs with ultra-sonic and dispersion procedures was spincoated on the thin film of SiO2.The drain-source electrodes were formed on the thin films of the SWCNTs by shadow mask electron beam evaporation.Too much chemistry contact with the SWCNTs is avoided by using this technology，and the properties of the SWCNTs are preserved effectively.The electricity performance of the CNT-FET device is tested at room temperature.The SWCNTs random networks thin film FETs had the advantages of steady performance，good repeatability and uniformity.This technique can be used for constructing logic circuits in CNTs，and provide valuable references for making research on large-scale and low-cost ICs based on CNTs.

SWCNTs;random networks;field effect transistor;shadow mask electron beam evaporation;bottom-gate

TN386

A

1007－7820(2012)08－086－04

2012-02-06

常永嘉(1988—)，男，碩士研究生。研究方向:微電子學(xué)與固體電子學(xué)，碳納米管隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能。