碳纳米管场效应晶体管的设计

用单根纳米管构建晶体管, 虽然理论上它的性能可以轻松超 过现今硅基晶体管的性能。但是单根纳米管难普及存在1 个 主要障碍, 即其制造工艺难度极大。此外, 单根纳米管制备 的器件往往需要人工组装, 因此可能要用几天的时间才能制 作完成,大大降低了生产效率。另外, 这类器件还存在着个体 差异的问题, 各纳米管的形状和构型总是略有差别, 因此不 同器件的性能通常也不一致。因此, 这类单根碳纳米管不会 取代硅和铜。尽管如此, 由于碳纳米管可以和硅在电子电路 中扮演同样的角色, 而且它的尺寸只有分子大小。
典型碳纳米管分立器件结构
1. 荷兰代尔夫特工业大学 Tans S J 等于1998 年首次 提出利用碳纳米管制成的 场效应晶体管。 特点描述：硅衬底做背栅 (衬底上通过热氧化生长1 层厚300 nm 的SiO2 层), 然后制备Pt 作电极, 再利用 自组装技术将半导体型的 单根单壁碳纳米管搭接Pt 电极上, 从而构建单壁碳纳 米管场效应晶体管结构。
碳纳米管场效应晶 体管的设计
作者：许高斌、陈 兴、周 琪、王 鹏 出自： JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT
自1991 年S. Iijima 发现碳纳米管后, 由于其独特的物理、 化学性质及其机械性能, 具有径向量子效应、超大比表面 面积、千兆赫兹的固有振荡频率等特点, 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人们的极大关注。 金属性碳纳米管在室温下有良好的导电性,碳纳米管材 料的性能已经超过目前普遍使用的铜互连工艺, 因此碳纳 米管将来可能用作3D(三维集成电路)互连材料。 半导体性的碳纳米管具有传统半导体的所具有的电学 性质, 在室温下, 半导体性的碳纳米管导电性能很差, 可视 其为绝缘体。但是如果在其径向方向上加1 个偏压,因其内 部产生载流子而具有导电性。随着径向偏压的增大, 载流 子的浓度也随之增大。
源自文库
垂直结构CNTFET 的理想 源漏电流电压特性
3. 2004 年中国科学院 物理研究所的梁迎新等 提出了1 种双DWCNTFET, 用低电导率的 DWCNT内壁(直径1.34 nm)作为栅, 高电导率的 DWCNT 外壁(直径1.73 nm)作为导电沟道。
理论上器件的关断 (OFF)电流为0.03 μA, 开 启(On)电流为14 μA 。然 而, 这DWCNT-FET 结构 虽然具有一定的结构新颖 性和一定的理论研究意义, 但在实际制备时内外壁栅 极定位难以实现, 基本没 有实用化的可能性。
I-V 特性测试表明器件的阈值电压为2 V
对不同退火温度C-V 特 性的影响进行了分析研 究, 研究表明C-V 特性与 测量频率有关, 且在退火 温度高于500℃时, 氧化 层的质量得到明显改善。
6. 2009 年Albert Lin 等提出1 种多根单壁碳纳米管构建CNT-FET, 沟 道内SWCNTs 的密度为1~3 根/μm, 沟道的宽长比为W/L = 50 μm/1 μm, 多通道SWCNTs-FET 结构。
与普通半导体的区别： 半导体在掺杂之后, 根据其掺杂的种类不同， 导电方式分为P 型和N 型半导体。 半导体性质的碳纳米管的导电方式根据加在 其径向方向上的偏压不同而改变。在加正偏压的 情况下, 碳纳米管内部的载流子为电子, 属于n 型; 如加偏压为负, 碳纳米管的载流子为空穴, 导电类 型为p 型。 由于极好的电学和机械特性, 碳纳米管非常适 合制NEMS(纳机电系统)器件。
从CNT-FET 的I-V 特性曲 线上可看出，电流在nA量 级, 在Vgate=0 时, I-Vbias 特性曲线出现了一些小的 非线性。当Vgate 增加到 正值时, 在Vbias=0 附近 出现明显的间隙状态非线 性。当Vgate 为负值时,IVbias 特性曲线变为线性, 电阻饱和于1 kΩ 附近。
5. 2008 年Chen 等提出了1 种新型围栅结构的CNT-FET。其主要 特点是碳纳米管CNT 完全被栅介质层(Gate All-Around: GAA)和栅 极Ti/Au 包裹。源漏间距为100 nm, 利用原子层沉积ALP 法制备10 nm的Al2O3, 栅极以外的氮化钨(WN)和Al2O3 利用湿法腐蚀去除。
虽然纳米线和纳米管电路的发展还面临着许多的困难, 但是我们有理由相信: 在不久的将来, 随着纳米线和 纳米管制备、定位以及相关理论等问题的解决, 纳米 电路必将淘汰传统的半导体电路, 其必将引起信息技 术, 特别是微电子技术的重大变革和发展, 从而电子 学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。
2. 2004 年Hoenlein 等提出 了一种新型垂直CNT结构的 CNT-FET, 垂直生长SWCNT 直径为1 nm, 长为10 nm, 制 备的同轴栅介质和栅的厚度 约为1 nm, SWCNT 的上、 下端分别为源漏极。垂直 CNT-FET 的优越性表现在 CNT 的垂直生长比水平生长 更容易。
4. 2006 年Bae-Horng Chen 等提出了一种双栅 (底栅+顶栅)结构的、 SWCNT 沟道导电类型可 调的CNT-FET。在980℃ 下通过湿法氧化获得600 nm 的栅氧化层, 低PECVD 法沉积200 nm 的氧化层或 氮化硅层, 150 nm 的源漏 和栅电钛(Ti)极是利用RF 溅射法制备。
该双栅压控制器件的转 移特性曲线。当底栅施 加正偏压, 顶栅电压 0~−12 V 变化时, 源漏电 流随顶栅压的减小而减 小, 且导电沟道可以有效 实现夹断; 当底栅施加负 偏压, 顶栅电压0~−12 V 变化时, 源漏电流随顶栅 压的减小而增大, 且导电 沟道增强。
可调沟道电导的SWCNT-FET 转移特性 曲线
参考文献: [1] IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon[J].Nature, 1991, 354(7): 56-58. [2] IIJIMA S, ICHIHASHI T. Single-shell carbon nanotubes of 1 nm diameter[J]. Nature, 1993, 363: 603-605. [3] JAVEY A, SHIM M, DAI H J. Electrical properties and devices of large-diameter single-walled[J]. Applied Physics Letter, 2002, 80(6): 1064-1066. [4] TREACY M M, EBBESEN T W, GIBON J M. Exceptionally high Young's modulus observed for individual carbon nanotubes[J]. Nature, 1996, 381: 678-680. [5] RAFII T H. Computational modelling of thermomechanical and transport properties of carbon nanotubes[J]. Physics Reports, 2004, 390: 235-452. [6] HAYAMIZU Y, YAMADA T, MIIZUNO K, et al. Integrated three-dimensional microelectromechanical devices from processable carbon nanotube wafers[J]. Nature nanotechnology, 2008(3): 289-294.