碳纳米管场效应晶体管设计
碳纳米管定向网络场效应晶体管的制备及特性
Ｚ Ｏ Ｌ— ＨＥ ｉｎ ， ＨＡ Ｇ Ｚ ｉ ｏ ｇ ，Ｄ ＮＧ Ｚ ｏ －ｕ ＨＡ ｉｉ，Ｃ Ｎ Ｑ ａ Ｚ Ｎ ｈ— ｎ Ｅ ｈ ｕｈ ｌ ｙ
碳 纳米 管 定 向 网络 场效 应 晶体 管 的制备 及 特 性
翟春 雪 王若铮 马 超 尹铁 恩 吴志华 赵 丽丽 陈 骞 张志勇 ， ， ， ， ， ， ， ， 邓周虎
（． １ 西北 大学 信 息科 学与技术学 院 ， 陕西 西安 ７ ０ ２ ；． １ １７ ２ 西安卫光半导体有限公司 ， 陕西 西安 ７ ０ ６ ） １０ ５
备 出的碳 纳 米管场 效应 晶体 管具备 一 定的场效 应特 性 。
关
键
词 ： 纳米 管定向 网络 ； 纳 米管提 纯 ； 碳 碳 金属 性碳 纳 米管 ； 场效应 晶体 管
文献 标识 码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ０２ ４ （０ １ ０ －９ ６０ １０ － Ｘ ２ １ ） ６０ ７ －５ ７
Ｃ Ｔ ｒ ｎｅ ｅ ｏｋｗ ｓｏｍｅ ｖｒ ｏｒｅａ ｄｄａ ｓ ｇｈｇ — ｅｕ ｎｙａｔ ｎ ｔ ｇｃｒ ｎ （ Ｃ ｌ ｔ ｐ ｏ Ｎ ｓｏ ｅ ｔ ｎｔ ｒ ａ ｒ ｄｏｅ ｕｃ ｎ ｒｉ ｕｉ ｉｈｆ ｑ ｅ ｃ ｌ ｒａ ｎ ｕｒ ｔ Ａ ）ｅｅ ｒ ｈ — ｉ ｄ ｗ ｆ ｓ ｎ ｎ ｒ ｅ ｉ ｅ ｃｏ
西北大学学报 （ 自然科学版 ） ２１ ０ １年 １ ， ４ 卷第 ６期 ， ｅ ．２ １ ， ｏ．１ Ｎ ． ２月 第 １ Ｄ ｃ ，０ １ Ｖ １４ ， ｏ６ Ｊｕｎ ｌ ｆ ｏ ｈ ｅｔ ｎｖｒｔ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ ｏ ｒ ｗ ｓＵ ｉｅｓｙ（ ａ ｒｌ ｃ ｎ ｅＥ ｉｏ ） Ｎｔ ｉ ｕ ｅ ｉ
碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化
碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化近年来，随着纳米科技的快速发展，碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）作为一种具有巨大潜力的纳米电子器件引起了广泛关注。
CNT-FET以其优异的电学性能和独特的结构特点，被认为是下一代高性能晶体管的有力竞争者。
本文将探讨碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化。
首先，碳纳米管的材料特性使其成为理想的电子输运通道。
碳纳米管具有优异的载流子迁移率和高电导率，这使得CNT-FET在高频电子器件中具有巨大的应用潜力。
研究人员通过调控碳纳米管的直径、手性和结构等参数，可以实现对CNT-FET电学性能的精确调控。
例如，通过控制碳纳米管的直径，可以实现对CNT-FET的载流子迁移率和开关速度的调节，从而优化其性能。
其次，碳纳米管场效应晶体管的结构特点也为其性能的优化提供了可能。
CNT-FET的结构由源极、漏极、栅极和碳纳米管通道组成。
通过调节栅极电压，可以实现对CNT-FET的电流开关控制。
此外，研究人员还通过引入高介电常数的栅介质材料，如氧化铝或高介电常数聚合物，来增强CNT-FET的电流开关比。
这种结构优化的方法可以显著提高CNT-FET的性能。
此外，碳纳米管场效应晶体管的制备工艺也对其性能进行了优化。
目前，研究人员已经发展出了多种制备CNT-FET的方法，如化学气相沉积、电化学沉积和机械剥离等。
这些制备方法可以实现对CNT-FET的尺寸和结构的控制，从而优化其性能。
同时，研究人员还通过控制碳纳米管的生长温度和气氛等参数，来实现对CNT-FET电学性能的调节。
这些制备工艺的优化将为CNT-FET的应用提供更多可能性。
最后，碳纳米管场效应晶体管的应用也是其研究与优化的重要方向之一。
CNT-FET在高频电子器件、柔性电子器件和生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
例如，CNT-FET可以用于制备高性能的射频放大器和振荡器，以满足日益增长的无线通信需求。
此外，CNT-FET还可以用于制备柔性电子器件，如可弯曲的显示屏和可穿戴设备。
碳纳米管场效应晶体管的设计
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。
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。
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。
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
基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程
基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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1. 碳纳米管的化学气相沉积(CVD)生长。
碳纳米管薄膜场效应晶体管的初步研究
①
收稿 日期 ：０７一 １ ６ ２０ Ｏ —２ 作者简介 ： 张世花 （ ９０一 。 。 １８ ） 女 湖北红安人 。 助教。
力学化学性能以及独 特的 电学性 能， 而且还 体现 出优 于普通
规整 、 尺寸均匀 的二维 碳纳米 管 Ｊ 他 们 还采 用光刻 技术 在 ， 石英片上构筑 出分辨率小至微米 级的碳纳米管 图案 。中科
院物理所得解思 深研 究员 早 在 １９ ９ ６年 通过溶 胶凝胶 的 方
法得到含有铁纳米催 化剂 的多孔氧 化硅 ， 以乙炔为碳 源得到
模板上的垂直的阵列多 壁碳 纳米管 制备 了纳米 晶体管 ， 晶体
管器件在 ３ Ｋ具有很好 的开关 性能“ ０ 。利用 Ｃ Ｄ方法制备 Ｖ 了结 构规 整 ， 排列有序的二维 和三维阵列碳 纳米 管薄膜 ， 并应 用四探针 技术测量 了阵列碳纳米管膜 碳管轴 向的垂直方 向和 平行方向的电学传输性 能 ， 现 阵列 碳纳 米管 薄膜是各 向异 发
定型碳等 。和氢结合以后 ， 以得到一 系列的有机物。碳基材料 范围很广 ， 可 包括小分子和聚合物 ， 它们 包括 绝缘 体， 半导
性能和导 电聚合物， 具有开关性能， 具有超导性能和磁性 能等 。将来碳基 电子将有 可能取 代硅 电子器件。 固态碳有 两种
成键方式 ， ０和 ｓ ｐ 成键形式 。在它的 成键 形式中， 如富勒烯和石墨 ，碳是半导体性能的 。富勒烯 的衍 生物如 Ｃ ０ ： 富勒烯 ； 纳米管 ； 场效应 晶体 管
中图分类号 ： Ｎ３１５ Ｔ ２．
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： ０ — ４８ ２０ ）２ ０３ — ３ １ ８ ８５ （０７ ０ — ０ １ ０ ０
硅基pn结二极管 mos场效应晶体管,gan基异质结场效应晶体管,碳纳米管场效应晶体管
硅基pn结二极管mos场效应晶体管,gan基异质结场效应晶体管,碳纳米管场效应晶体管1. 引言1.1 概述引言部分将涉及到硅基pn结二极管、MOS场效应晶体管、GaN基异质结场效应晶体管和碳纳米管场效应晶体管四个主题。
这四种晶体管都是目前研究和应用最为广泛的半导体器件，它们在电子行业的各个领域扮演着重要的角色。
1.2 文章结构本文将按照以下结构来展开介绍。
首先，会对硅基pn结二极管进行详细介绍，包括其原理、结构和制备方法以及在不同领域中的应用。
接下来，我们将探讨MOS场效应晶体管的原理、特点以及其结构和工艺流程，并着重关注其发展现状与趋势。
第三部分将聚焦于GaN基异质结场效应晶体管，揭示其原理性能优势，并深入讨论相关材料以及制备方法。
同时还将阐述该晶体管的应用前景与挑战。
最后一部分则是关于碳纳米管场效应晶体管的阐述。
我们首先会介绍碳纳米管的基础知识，然后分析其结构和特性，并展望其在未来的应用前景与发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面介绍硅基pn结二极管、MOS场效应晶体管、GaN基异质结场效应晶体管以及碳纳米管场效应晶体管这四种重要的半导体器件。
通过深入研究它们的原理、制备方法、结构和特性，我们将探索它们在各个领域中的应用前景。
同时，我们也将关注它们目前面临的挑战以及未来可能出现的发展趋势。
通过本文的阐述，我们希望读者能够对这些晶体管有更深入的了解，并为相关研究和开发提供一定的参考。
这对于推动电子行业的创新和进步具有积极意义。
2. 硅基pn结二极管:硅基pn结二极管是一种基本的半导体器件，由p型和n型的硅材料形成的结构组成。
该结构通过在两种不同类型的硅材料中掺入适量的杂质，实现了电荷载流子之间的正负载流并且具有单向导电性能。
2.1 原理介绍:硅基pn结二极管的工作原理基于PN结产生的势垒效应。
当外界施加正向偏置（即连接正极至p区、负极至n区），势垒被降低，使得电子从n区域迁移到p 区，同时空穴被推送到n区域。
基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程
基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程哎呀，这可是个不简单的活儿！咱们今天要聊聊基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程。
咱们得明白什么是场效应晶体管，它可是现代电子技术中的关键元件哦！场效应晶体管，简称FET,它的工作原理就像是一个超级敏感的“阀门”。
你可以把碳纳米管想象成这个阀门的内部结构，而FET就是通过这个阀门来控制电流的。
这个过程可不是那么简单，咱们得一步一步来。
咱们得准备好碳纳米管。
这些管子可是非常珍贵的，它们是由碳原子组成的，比头发丝还要细100倍。
咱们在制作FET的时候，需要把这些碳纳米管整齐地排列在一起，形成一个小小的矩阵。
咱们要把这些碳纳米管连接起来。
这个过程就像是搭建一个高楼大厦，每一块砖头都是非常重要的。
咱们要用一种特殊的胶水，把碳纳米管粘在一起，形成一个坚固的结构。
现在咱们的高楼大厦已经建好了。
咱们要给这个大厦安装电梯。
这个电梯就像是FET中的电流开关，它可以控制电流的流动。
咱们要用一种特殊的金属薄膜，把它覆盖在碳纳米管的表面，形成一个导电层。
这样，电流就可以顺利地从一层传到另一层了。
咱们要给这个大厦装修一下。
这个装修就像是给FET加上一些保护措施，让它更加稳定可靠。
咱们要用一种特殊的涂料，把整个FET涂上一层保护膜，防止它受到外界环境的影响。
经过这么一番努力，咱们终于完成了基于碳纳米管的场效应晶体管的组装工艺流程！虽然这个过程有点复杂，但是只要咱们一步一步来，就一定能够成功。
而且，这个FET不仅可以用来做电子设备，还可以应用在很多其他的领域，比如能源、医疗等等。
咱们要好好学习这个技术，为祖国的发展做出贡献！。
碳纳米管场效应晶体管的制备与性能测量
碳纳米管场效应晶体管的制备与性能测量摘要：本文主要介绍了碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）的制备方法以及性能测量技术。
首先，介绍了碳纳米管的基本结构和性质，然后详细阐述了CNTFET的制备流程，包括碳纳米管制备、晶体管结构制备和CNTFET性能的优化等方面。
接着，对CNTFET的主要性能进行了评估和分析，包括电学性能、传输特性、噪声和功耗等，以及与传统晶体管的比较。
最后，展望了CNTFET的未来发展方向和应用前景。
关键词：碳纳米管、CNTFET、制备方法、性能测量、应用前景引言碳纳米管是一种具有良好电学、光学和力学性能的新型纳米材料。
自20世纪90年代初以来，碳纳米管就已被广泛研究，并被认为是未来纳米电子技术的重要组成部分。
碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）以其具有的超高速、低功耗和高集成度等优势，成为研究热点之一。
本文旨在介绍CNTFET的制备方法和性能测量技术，并评估其主要性能。
碳纳米管的基本结构和性质碳纳米管是由单层或多层石墨烯卷成的管状物，其结构可以分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种。
SWCNT由同一层石墨烯卷成，具有单一壁的结构，其直径一般在0.4~2nm之间，长度可以达到数百微米；MWCNT由多层石墨烯卷成，具有多壁的结构，其壁之间的距离一般在0.3~1nm之间，长度可达数千微米。
碳纳米管具有良好的电学和光学性质，其电学特性主要表现为具有半导体或金属的导电性。
单壁碳纳米管具有良好的半导体性质，可以通过控制其直径和手性来实现不同的电学特性。
多壁碳纳米管则具有金属性质，其导电性能优于单壁碳纳米管。
此外，碳纳米管还具有良好的力学性能，可以承受高达几十GPa的压力，具有良好的柔性和韧性。
CNTFET的制备方法CNTFET的制备主要包括以下几个方面的工作：1. 碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积法、电弧放电法、激光气相沉积法等。
其中，化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法。
碳纳米管场效应晶体管的发展
碳纳米管场效应晶体管的发展碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）是一种基于碳纳米管的新型场效应晶体管，由于其独特的电学和机械学性质，被广泛认为是接下来代替硅材料在微电子学领域的重要候选器件。
CNTFET的发展可分为三个阶段：单碳纳米管FET、多碳纳米管FET和设备集成。
单碳纳米管FET是CNTFET的首要发展阶段，通过在单根碳纳米管上制作门极和源漏电极，形成了一种极小型的场效应晶体管。
研究者发现，单碳纳米管FET具有极高的载流子迁移率、低噪声、高频率响应等优异的电学性质。
但在现实应用中，单碳纳米管的制备和集成还面临很多挑战，因此多碳纳米管FET成为了CNTFET的一个重要发展方向。
通过将多根碳纳米管组合成阵列，可以进一步提高CNTFET的性能并优化其制备过程。
最近的研究表明，制作多碳纳米管FET时，要注意控制碳纳米管之间的直接和间接耦合效应。
通过设备集成技术，可以将CNTFET与其他器件集成在一起，实现高度流片化和集成度。
例如，CNTFET可以与微机电系统（MEMS）集成，实现高灵敏度的生物传感器、化学传感器，或与光学器件集成，实现更高速的通信传输。
除了发展CNTFET的不同阶段，还有许多研究人员致力于提高CNTFET的性能和解决其存在的问题。
其中一个重要的挑战是电极材料的选择。
在CNTFET中，电极材料必须能够提供良好的接触和物理/化学稳定性。
铂和金是常用的电极材料，但其成本较高。
因此，研究人员也在寻找更便宜的替代材料，如碳纳米管和导电聚合物等。
此外，拓扑电子学在CNTFET的研究中也逐渐引起了注意。
由于CNTFET中碳纳米管有优异的拓扑性质，因此研究人员已经开始研究利用拓扑电子学的理论和技术来改善CNTFET 的性能。
例如，研究人员已经开发出基于拓扑能带的CNTFET，旨在提高其开关速度和电流的一致性。
碳纳米管场效应晶体管开关原理
碳纳米管场效应晶体管开关原理1.引言碳纳米管场效应晶体管（Ca rb on Na no tub e Fi el d-E f fe ct Tr an si st or,C NF ET）是一种新型的纳米电子器件，具有优异的电子性能和潜在的应用前景。
本文将介绍碳纳米管场效应晶体管开关的原理及其工作机制。
2.碳纳米管简介碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺寸管状结构，具有高强度、优异的导电性和热导性能。
碳纳米管的直径通常在纳米级别，长度可达到数微米或更长。
碳纳米管可分为单壁碳纳米管（S i ng le-W a ll ed Ca rb on Na not u be,S WC NT）和多壁碳纳米管（Mu lt i-W a ll ed Ca rb on Na not u be,M WC NT）两种形式。
3.原理介绍碳纳米管场效应晶体管是利用碳纳米管在电场作用下的电荷运输性质来实现电子的控制和开关。
其主要元件结构包括源极（So ur ce）、漏极（D ra in）、栅极（G a te）和碳纳米管通道。
3.1漏极和源极漏极和源极是碳纳米管场效应晶体管的电流引脚，用于控制电子的流动。
当栅极施加一定电压后，栅极与源极之间建立电场，使得碳纳米管通道中的电子发生运动。
3.2栅极栅极是用于控制碳纳米管通道导电性的部分。
当栅极施加电压时，会产生电场，而碳纳米管通道中的电子受到电场的作用而发生移动。
3.3碳纳米管通道碳纳米管通道是整个晶体管的核心部分，它连接源极和漏极，是电子流动的通道。
碳纳米管通道的导电性质可以通过施加栅极电压来控制，实现对电流的调控。
4.工作原理碳纳米管场效应晶体管的工作原理主要通过栅极电压控制通道中的电子运动。
具体工作步骤如下：1.初始状态下，碳纳米管通道中没有电子流动，栅极电压为低电平。
2.当栅极施加一定电压时，栅极与源极之间建立电场，使得碳纳米管通道中的电子发生运动。
3.当栅极电压为高电平时，电子受到栅极电场的吸引，从源极流向漏极，形成漏电流。
碳纳米管场效应晶体管的模型研究
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一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法[发明专利]
![一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/671a90c5e2bd960591c677db.png)
专利名称：一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法专利类型：发明专利
发明人：郭奥,胡少坚,周伟
申请号：CN201510683113.0
申请日：20151020
公开号：CN105304499A
公开日：
20160203
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于半导体制造领域，公开了一种制备柔性碳纳米管场效应晶体管的方法，首先提供一硅衬底，接着在硅衬底上制备碳纳米管；然后制备以碳纳米管为沟道材料的场效应晶体管；再接着在碳纳米管场效应晶体管四周形成沟槽，且沟槽的四周相邻的端点处保留预设尺寸的桥接；然后对硅衬底进行横向刻蚀，以使碳纳米管场效应晶体管的底部保持悬空；最后采用PDMS印章工艺将碳纳米管场效应晶体管转移至柔性衬底，形成柔性碳纳米管场效应晶体管。
本发明兼容了目前主流的高性能碳纳米管晶体管的制备工艺，通过集成柔性封装工艺，实现了柔性碳纳米管场效应晶体管的大规模量产，其市场应用价值广阔。
申请人：上海集成电路研发中心有限公司,成都微光集电科技有限公司
地址：201210 上海市浦东新区张江高斯路497号
国籍：CN
代理机构：上海天辰知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
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第24卷 第10期 电子测量与仪器学报 Vol. 24 No. 102010年10月JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT· 969 ·本文于2010年8月收到。
* 基金项目: 安徽省自然科学基金(编号: 090414199)资助项目; 中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2010HGZY0004, 2010HGXJ0224)资助项目。
DOI: 10.3724/SP.J.1187.2010.00969碳纳米管场效应晶体管设计与应用*许高斌1,2 陈 兴1,2 周 琪3 王 鹏1,2(1. 安徽省微电子机械系统工程技术研究中心, 合肥 230009; 2. 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 合肥 230009;3. 合肥工业大学材料科学与工程学院, 合肥 230009)摘 要: 碳纳米管具有一些独特的电学性质, 在纳米电子学有很好的应用前景。
随着纳米技术的发展, 新的工艺技术也随之产生。
纳米器件的“由下至上”制作工艺, 是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的, 在新工艺基础之上, 可以利用纳米管、纳米线的性质制作成各种新的电子器件。
由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色, 随着基于碳纳米管的纳米电路研究的深入发展, 电子学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。
从分析碳纳米管分立场效应晶体管典型结构特点入手, 分析阐述了碳纳米管构建的典型纳米逻辑电路结构特征及碳纳米管在柔性纳米集成电路方面的应用。
关键词: 碳纳米管；场效应晶体管；纳米逻辑门电路；柔性纳米集成电路；纳米电子学 中图分类号: O484 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 430.4030Design and application of carbon nanotube FETsXu Gaobin 1,2 Chen Xing 1,2 Zhou Qi 3 Wang Peng 1,2(1. Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province, Hefei 230009, China; 2. School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei 230009, China; 3. School of Materials Science and Engineering, HefeiUniversity of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: Carbon nanotube has many extraordinary electrical properties and extensive application foreground on nano electronics. With the development of nanotechnology, new process technique is generated. And the bottom-up fabri-cation process is developed based on nano technique and nano materials, then various new electron devices is constructed by using the properties of nanotubes and nanowires. Since the CNTs can act same roles in electronic circuit as Si material, and with the profound development of research of nano-ICs based on CNTs, the electronics will turn into the nanoelec-tronic era truly from the microelectronic era. In this paper, the feature of typical structure of nano electronic devices based on CNTs, CNTs field effect transistor (FET), is discussed, the characteristic of typical structure of logic-gate circuits based on CNT-FETs is represented, and the application of CNTs on flexible nano ICs is also described.Keywords: carbon nanotube; FETs; nano logic-gate circuit; flexible nano-ICs; Nano electronics1 引 言自1991年S. Iijima 发现碳纳米管后[1], 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[2], 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人们的极大关注。
从结构上来说, CNTs 可以分为单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)。
SWCNT 是单层的, 其直径在1~5 nm; MWCNT 大约有50层, 内径在1.5~15 nm, 外径在2.5~30 nm 。
MWCNT 由于结构上存在缺陷, 其纳结构在稳定性上不如SWCNT 结构。
碳纳米管具有一些独特的电学性质[3], 可制备出金属性和半导体性·970 ·电子测量与仪器学报第24卷两种特性, 碳纳米线可通过的电流能力是金属的100倍; 在机械性能上, 单壁碳纳米管的强度是钢的100倍, 其杨氏模量是1 TPa[4], 是钢(230 GPa)的5倍, 而其密度仅为1.3 g/cm3。
此外, 碳纳米管热导率为2 000 W/m.K[5], 是铜热导率(400 W/m.K)的5倍。
金属性碳纳米管在室温下有良好的导电性, 利用其导电性制作成具有纳米数量级的导线, 美国纽约州Rensselaer工学院科学家的最新试验显示, 在45 nm及以下制程中, 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[6]。
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。
除了以上与半导体相似的性质之外, 碳纳米管还有其独特之处: 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备NEMS(纳机电系统)器件。
目前基于碳纳米管的纳器件已有不少原理器件报道, 如可调式千兆赫兹振荡器[7], 纳数据存储器[8], 纳米管随机存储器(NRAM)[9], 纳米传感器[10-11], 纳米管桥式开关[12], 纳继电器[13], 场效应晶体管[14]等。
具有固有频率可达千兆赫兹(GHz)CNT-纳继电器作为开关使用时, 可用于逻辑器件、存储单元、脉冲发生器, 电流或电压放大器中。
至今关于碳纳米管的应用研究也只不过十多年,很多方面都不成熟。
目前,我国在碳纳米管的合成制备技术方面,基本保持和国外同步, 处于接近水平,甚至在某些方面国内还处于领先地位[15-16],但真正基于碳纳米管器件的深入研究却不多。
从分析碳纳米管典型结构分立器件的研究进展入手, 进一步分析阐述碳纳米管构建纳米逻辑电路及碳纳米管在柔性纳电子学方面的应用, 希望能为我国基于碳纳米管的集成纳电子学研究及其实用化、产业化提供借鉴。
2典型碳纳米管分立器件结构最早利用碳纳米管制成的场效应晶体管是荷兰代尔夫特工业大学Tans S J等于1998年首次提出的[17]: 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, 如图1所示。
图2是该CNT-FET的I-V特性曲线, 电流在nA量级, 在V gate=0时, I-V bias特性曲线出现了一些小的非线性。
当V gate增加到正值时, 在V bias=0附近出现明显的间隙状态非线性。
当V gate为负值时, I-V bias特性曲线变为线性, 电阻饱和于1 kΩ附近。
同年, IBM的R. Martel 等也独立报道了他们的研究成果, 并对器件结构进行了改进[18]: 在硅衬底上热生长1层厚氧化层(SiO2)用做栅介质层, 然后光刻制备Au作为电极, 将分散于有机溶剂的碳纳米管撒落在衬底上, 用硅作为背栅。
他们同时对单根多壁、单壁碳纳米管场效应晶体管的性能进行了分析研究。
图1 CNT-FET典型结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of typic CNT-FET structure图2 CNT-FET电流-电压特性Fig. 2 I-V bias curves of CNT FET第10期碳纳米管场效应晶体管设计与应用·971 ·2003年IBM公司的Wind S.J.等提出了一种分段顶栅结构CNT-场效应晶体管[19], 如图3所示。
整个顶栅被光刻分割为4段, 段间隙为20~25 nm, 顶栅宽分别为480 nm、160 nm、80 nm和240 nm, 碳纳米管和衬底、顶栅之间都有1层氧化层, 源、漏是Ti 电极, 源、漏间距为1 μm。
每段顶栅独立的施加不同偏压, 使得晶体管表现出更多的特性, 如图4所示。
给出了不同沟道长度栅压对源漏电流的关系。