碳納米管隨機網絡場效應晶體管電學性能分析

常永嘉，皇 華，黃文龍

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

碳納米管隨機網絡場效應晶體管電學性能分析

常永嘉，皇 華，黃文龍

(合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009)

利用電子束蒸發技術在Si襯底形成Au電極作為底柵電極，在底柵電極上生長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技術，在單壁碳納米管隨機網絡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接觸，有效地保護了碳納米管的性狀。在室溫條件下對器件電學性能進行測試和分析。使用該方法制備的單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管，具有器件性能穩定、重復性和一致性較好等優點，并可用于構建碳納米管邏輯電路。該方法對于研究基于碳納米管的大規模、低成本的集成電路，具有較高的借鑒價值。

單壁碳納米管;隨機網絡;場效應晶體管;蔭罩式電子束蒸發;底柵

碳納米管(CNT，Carbon Nanotubes)［1］具有獨特的機械，熱學和電學特性。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］和相應功耗降低。強共價鍵使得CNT具有較好的機械特性、熱穩定性和抗電遷移性，可以承受109A/cm2的電流密度。碳納米管在結構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)，導電性又分為金屬性和半導體性CNT。金屬性CNT是彈道導體，在未來納米電子學互連技術中有發展空間;半導體性CNT遷移率比其他半導體材料高25%，有望在半導體芯片和生物傳感器等應用領域取代傳統半導體材料。

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SWCNT預先制作在氧化硅芯片上，跨接兩個金屬電極。利用重摻雜硅片作為背柵，兩個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、跨導低、反向亞閾值斜率高。由于CNT只是簡單搭在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等人設計研究了基于單壁碳納米管(SWCNTs)隨機網絡場效應晶體管的中規模集成電路。在聚酰亞胺材料的柔性襯底上制備集成近100個單壁碳納米管隨機網絡場效應晶體管［5］。這種基于單壁碳納米管隨機網絡的場效應晶體管，具有一定的優越性能，例如，器件遷移率為80 cm2V－1s－1，閾值電壓的斜率低于140 mVdec－1。開關比為105。這項研究代表了目前關于碳納米管器件及相關應用研究領域的最高水平。

圖1 早期CNTFET結構示意圖

研究表明，基于碳納米管的場效應晶體管電學特性，主要依賴于碳納米管的結構和直徑［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，部分管子在結構上存在缺陷，這會導致單根CNT器件的電學性能有較大差異，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精確定位到單個碳納米管場效應晶體管上。(3)以目前技術條件，需要人工組裝單根CNT制備器件，需要幾天的時間，嚴重影響生產效率。為解決上述問題，利用單壁碳納米管形成的碳納米管隨機網絡薄膜或者碳納米管陣列薄膜，或隨機網絡與陣列結合的形式，代替單根CNT。這種方法，可以最大程度地降低單根CNT器件電學特性的差異，減小阻抗、增大輸出電流，解決了碳納米管場效應晶體管需要對單根CNT精確定位的問題［7－8］。

1 實驗

第一步，利用電子束蒸發技術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網絡薄膜。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，穩定性較高的單壁碳納米管懸浮液。將表面生長有柵氧化層的硅基進行表面清潔處理。使用勻膠機將碳納米管懸浮液均勻的旋涂于柵絕緣層表面，勻膠機轉速設置為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網絡薄膜，其SEM圖片如圖2所示，圖2(b)為局部放大圖片。

圖2 單壁碳納米管隨機網絡薄膜SEM圖片

第四步，利用蔭罩式電子束蒸發技術形成源漏電極。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系統，利用高能電子束轟擊金屬靶，使之蒸發，在樣片表面沉積，制備出樣品的源極和漏極。在碳納米管隨機網絡薄膜表面沉積50 nm厚度的Au作為漏源電極，漏源間距即器件溝道長度為L=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構的單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管。

圖3 蔭罩式電子束沉積法示意圖

2 結果與分析

圖4為底柵結構碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管結構示意圖。在室溫下測量碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管的電特性。為避免測量誤差，進行多次重復測量和數據分析。實驗發現，制備的單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管，室溫條件下測得的電學信號依然保持較好的穩定性、一致性和重復性。圖5是在不加柵壓下，具有良好源漏電接觸的碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管，重復測得的典型漏源電流與電壓的關系曲線。在不加柵壓時，漏源電流和電壓基本表現為線性關系，說明不加柵電壓時的單壁碳納米管隨機網絡薄膜具有導體特性。實驗表明，制備該器件所使用的商用單壁碳納米管，主要由半導體性碳納米管組成，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，該器件的轉移特性曲線。碳納米管場效應晶體管的閾值電壓約為6 V。從轉移特性可以看出，單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管是p型場效應晶體管，其多數載流子主要為空穴。對比圖6(a)傳統MOS場效應晶體管轉移特性曲線，單壁碳納米管晶體管轉移特性曲線在VGS＜0 V時，電流變化很小，趨于飽和狀態。

利用IDS與VGS的關系來計算跨導。漏極電流IDS表達式為

這是計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為氧化層絕對介電常數;L是溝道長度。

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

有了漏極電流表達式，利用跨導定義式來計算跨導，可得

其中，式(3)為飽和區跨導，柵電容CG=COXWL。

由圖6中漏源電流電壓IDS－VGS關系曲線可計算得到，當VGS=－20 V，VDS=－1 V時，器件的峰值跨導為320 ns。該底柵結構的單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管開啟電流約1 μA。從跨導表達式可以看出，為提高跨導，器件設計應該考慮:減小溝道長度L;減小柵氧化層厚度d，以提高柵電容CG;在NMOS和PMOS兩種結構中，選擇NMOS結構，因為電子的表面遷移率高于空穴。同時，由轉移特性曲線可以看出，該器件的開關比較小，原因在于:碳納米管具有1/3的金屬性和2/3的半導體性。當碳納米管隨機網絡薄膜中碳管的濃度較大時，會導致薄膜整體金屬性增強，從而使得器件關斷電流增大，降低了該器件的開關比。因此，利用單壁碳納米管隨機網絡薄膜制備場效應晶體管，應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，以此來進一步改進器件的性能。

圖7所示，是碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管的輸出特性曲線。當柵極所加電壓VGS從－20～0 V逐漸增加時，曲線的陡直程度逐漸減小，即隨著柵壓增加，漏源電流相應減小，主要原因是:當柵壓較大時，垂直于器件表面的縱向電場也較大，多數載流子在沿溝道漂移運動時，發生更多碰撞，導致載流子遷移率的下降。

實驗結果表明，當漏源電壓為負電壓時，漏極電流隨著柵壓的改變有較大的變化，即柵壓調制效應明顯。而當所加漏源電壓為正電壓時，漏極電流基本不隨柵壓改變而變化，其原因在于:該器件多數載流子為空穴，當施加的漏源電壓為正電壓時，空穴要越過一個較高的能量勢壘，產生漏源電流的載流子數量較少，使該器件處于關斷狀態。

圖7 單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管輸出特性曲線

3 結束語

成功制備了單壁碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管，并對器件的電特性進行了測量和分析。從輸出特性曲線可以觀察到明顯的柵壓調制效應。然而由于制備的碳納米管隨機網絡薄膜中碳管濃度較高，導致金屬性較大，轉移特性曲線顯示器件開關比較低。可以通過降低碳納米管濃度以及消除金屬性影響等途徑進一步提高器件性能。

研究表明，使用該方法制備的碳納米管隨機網絡薄膜場效應晶體管，具有器件性能穩定，工藝過程簡單等特點，為碳納米管相關器件的研究和發展做出了有益的探索。利用蔭罩式電子束蒸發技術，可以使碳納米管避免過多的化學接觸，有效保護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:微電子學與固體電子學，碳納米管隨機網絡場效應晶體管電學性能。