碳納米管場效應(yīng)晶體管的設(shè)計

1、碳納米管場效應(yīng)晶碳納米管場效應(yīng)晶體管的設(shè)計體管的設(shè)計作者：許高斌、陳 興、周 琪、王 鵬出自： JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT 自1991 年S. Iijima 發(fā)現(xiàn)碳納米管后, 由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)及其機(jī)械性能, 具有徑向量子效應(yīng)、超大比表面面積、千兆赫茲的固有振蕩頻率等特點(diǎn), 碳納米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人們的極大關(guān)注。 金屬性碳納米管在室溫下有良好的導(dǎo)電性,碳納米管材料的性能已經(jīng)超過目前普遍使用的銅互連工藝, 因此碳納米管將來可能用作3D(三維集成電路)互連材料。 半導(dǎo)體性的碳納米管

2、具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體的所具有的電學(xué)性質(zhì), 在室溫下, 半導(dǎo)體性的碳納米管導(dǎo)電性能很差, 可視其為絕緣體。但是如果在其徑向方向上加1 個偏壓,因其內(nèi)部產(chǎn)生載流子而具有導(dǎo)電性。隨著徑向偏壓的增大, 載流子的濃度也隨之增大。 與普通半導(dǎo)體的區(qū)別： 半導(dǎo)體在摻雜之后, 根據(jù)其摻雜的種類不同，導(dǎo)電方式分為P 型和N 型半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體性質(zhì)的碳納米管的導(dǎo)電方式根據(jù)加在其徑向方向上的偏壓不同而改變。在加正偏壓的情況下, 碳納米管內(nèi)部的載流子為電子, 屬于n 型; 如加偏壓為負(fù), 碳納米管的載流子為空穴, 導(dǎo)電類型為p 型。 由于極好的電學(xué)和機(jī)械特性, 碳納米管非常適合制NEMS(納機(jī)電系統(tǒng))器件。典型碳納米管分立

3、器件結(jié)構(gòu)典型碳納米管分立器件結(jié)構(gòu)1. 荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)Tans S J 等于1998 年首次提出利用碳納米管制成的場效應(yīng)晶體管。特點(diǎn)描述：硅襯底做背柵(襯底上通過熱氧化生長1 層厚300 nm 的SiO2 層), 然后制備Pt 作電極, 再利用自組裝技術(shù)將半導(dǎo)體型的單根單壁碳納米管搭接Pt 電極上, 從而構(gòu)建單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。從CNT-FET 的I-V 特性曲線上可看出，電流在nA量級, 在Vgate=0 時, I-Vbias 特性曲線出現(xiàn)了一些小的非線性。當(dāng)Vgate 增加到正值時, 在Vbias=0 附近出現(xiàn)明顯的間隙狀態(tài)非線性。當(dāng)Vgate 為負(fù)值時,I-Vbias 特性

4、曲線變?yōu)榫€性, 電阻飽和于1 k 附近。2. 2004 年Hoenlein 等提出了一種新型垂直CNT結(jié)構(gòu)的CNT-FET, 垂直生長SWCNT 直徑為1 nm, 長為10 nm, 制備的同軸柵介質(zhì)和柵的厚度約為1 nm, SWCNT 的上、下端分別為源漏極。垂直CNT-FET 的優(yōu)越性表現(xiàn)在CNT 的垂直生長比水平生長更容易。垂直結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)CNTFET 的理想的理想源漏電流電壓特性源漏電流電壓特性3. 2004 年中國科學(xué)院物理研究所的梁迎新等提出了1 種雙DWCNT-FET, 用低電導(dǎo)率的DWCNT內(nèi)壁(直徑1.34 nm)作為柵, 高電導(dǎo)率的DWCNT 外壁(直徑1.73 nm)作為導(dǎo)

5、電溝道。理論上器件的關(guān)斷(OFF)電流為0.03 A, 開啟(On)電流為14 A 。然而, 這DWCNT-FET 結(jié)構(gòu)雖然具有一定的結(jié)構(gòu)新穎性和一定的理論研究意義, 但在實(shí)際制備時內(nèi)外壁柵極定位難以實(shí)現(xiàn), 基本沒有實(shí)用化的可能性。4. 2006 年Bae-Horng Chen 等提出了一種雙柵(底柵+頂柵)結(jié)構(gòu)的、SWCNT 溝道導(dǎo)電類型可調(diào)的CNT-FET。在980下通過濕法氧化獲得600 nm 的柵氧化層, 低PECVD 法沉積200 nm 的氧化層或氮化硅層, 150 nm 的源漏和柵電鈦(Ti)極是利用RF 濺射法制備。該雙柵壓控制器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)?shù)讝攀┘诱珘? 頂柵電壓01

6、2 V 變化時, 源漏電流隨頂柵壓的減小而減小, 且導(dǎo)電溝道可以有效實(shí)現(xiàn)夾斷; 當(dāng)?shù)讝攀┘迂?fù)偏壓, 頂柵電壓012 V 變化時, 源漏電流隨頂柵壓的減小而增大, 且導(dǎo)電溝道增強(qiáng)。 可調(diào)溝道電導(dǎo)的SWCNT-FET 轉(zhuǎn)移特性曲線5. 2008 年Chen 等提出了1 種新型圍柵結(jié)構(gòu)的CNT-FET。其主要特點(diǎn)是碳納米管CNT 完全被柵介質(zhì)層(Gate All-Around: GAA)和柵極Ti/Au 包裹。源漏間距為100 nm, 利用原子層沉積ALP 法制備10 nm的Al2O3, 柵極以外的氮化鎢(WN)和Al2O3 利用濕法腐蝕去除。I-V 特性測試表明器件的閾值電壓為2 V 對不同退火溫

7、度C-V 特性的影響進(jìn)行了分析研究, 研究表明C-V 特性與測量頻率有關(guān), 且在退火溫度高于500時, 氧化層的質(zhì)量得到明顯改善。6. 2009 年Albert Lin 等提出1 種多根單壁碳納米管構(gòu)建CNT-FET, 溝道內(nèi)SWCNTs 的密度為13 根/m, 溝道的寬長比為W/L = 50 m/1 m, 多通道SWCNTs-FET 結(jié)構(gòu)。用單根納米管構(gòu)建晶體管, 雖然理論上它的性能可以輕松超過現(xiàn)今硅基晶體管的性能。但是單根納米管難普及存在1 個主要障礙, 即其制造工藝難度極大。此外, 單根納米管制備的器件往往需要人工組裝, 因此可能要用幾天的時間才能制作完成,大大降低了生產(chǎn)效率。另外, 這

8、類器件還存在著個體差異的問題, 各納米管的形狀和構(gòu)型總是略有差別, 因此不同器件的性能通常也不一致。因此, 這類單根碳納米管不會取代硅和銅。盡管如此, 由于碳納米管可以和硅在電子電路中扮演同樣的角色, 而且它的尺寸只有分子大小。雖然納米線和納米管電路的發(fā)展還面臨著許多的困難, 但是我們有理由相信: 在不久的將來, 隨著納米線和納米管制備、定位以及相關(guān)理論等問題的解決, 納米電路必將淘汰傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電路, 其必將引起信息技術(shù), 特別是微電子技術(shù)的重大變革和發(fā)展, 從而電子學(xué)將在真正意義上從微電子時代進(jìn)入納電子時代。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn):1 IIJIMA S. Helical microtubules

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