碳納米管多溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究.pdf

1、碳納米管(CNT)因其獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能有望成為下一代集成電路的構(gòu)筑材料。在已有的研究報(bào)道中，單根的CNT己被用作導(dǎo)電溝道來(lái)制作碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CNTFET)。但這種結(jié)構(gòu)的CNTFET存在著輸出電流和跨導(dǎo)很有限、器件可靠性和產(chǎn)率低、器件柵寬無(wú)法橫向縮放等不足。另一方面，在CNTFET中CNT與金屬電極間的接觸扮演著至關(guān)重要的作用，接觸好壞將直接影響制得的器件性能。然而，CNT與電極間牢固、良好的電接觸的形成仍是目前

2、CNTFET制作中的一個(gè)難點(diǎn)。 本論文提出了一種使用分散、定向的單壁碳納米管(SWCNT)陣列作為導(dǎo)電溝道的多溝道CNTFET(MC-CNTFET)，其中SWCNT溝道兩端被納米焊接到金屬電極上，有效地解決了上述CNTFET制作中存在的關(guān)鍵問(wèn)題。論文對(duì)MC-CNTFET的制作工藝、器件性能、CNT溝道數(shù)的影響等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并將其與單溝道CNTFET(SC-CNTFET)進(jìn)行了對(duì)比。在本文中，MC-CNTFET通過(guò)如下的

3、一套工藝來(lái)制作：首先，對(duì)SWCNT進(jìn)行純化和表面功能化可溶性修飾；然后，利用交變電場(chǎng)定向排布技術(shù)對(duì)預(yù)修飾后的SWCNT進(jìn)行排布，使其形成分散、定向的SWCNT陣列以作為CNTFET的溝道；接著，使用一種超聲納米焊接技術(shù)對(duì)SWCNT與金屬電極進(jìn)行鍵合，使SWCNT與金屬電極間形成牢固、低電阻的接觸；最后，通過(guò)燒斷法將陣列中的金屬性的SWCNT燒斷而保留半導(dǎo)體性的SWCNT，形成高性能的MC-CNTFET。論文還探索了不同金屬接觸電極對(duì)MC

4、-CNTFET特性的影響，以及使用高、低功函數(shù)的金屬分別作為連接SWCNT的漏極和源極時(shí)的器件性能。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)筑了電阻負(fù)載反相門、或非門、與非門和互補(bǔ)邏輯倒相器等多種基本邏輯門電路。通過(guò)表面功能化預(yù)修飾，可使SWCNT在多種有機(jī)溶劑中形成穩(wěn)定、分散的溶液。對(duì)預(yù)修飾后的SWCNT進(jìn)行交變電場(chǎng)雙向電泳排布，可避免SWCNT間的互相纏結(jié)，使SWCNT分散、定向地排列于源漏電極問(wèn)形成SWCNT陣列。SWCNT的排布密度可通過(guò)控制交變電場(chǎng)的參

5、數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。制成的MC-CNTFET較SC-CNTFET不僅在輸出電流和跨導(dǎo)等關(guān)鍵器件性能上有很大提高，而且具有更高的器件的可靠性和產(chǎn)率。當(dāng)SWCNT陣列中的SWCNT排列密度不是很高時(shí)，MC-CNTFET的跨導(dǎo)與SWCNT溝道數(shù)大致成正比關(guān)系，這提供了一種通過(guò)控制SWCNT溝道數(shù)來(lái)線性地調(diào)控CNTFET跨導(dǎo)的方法。 論文創(chuàng)建了一種超聲納米焊接技術(shù)對(duì)SWCNT和金屬電極進(jìn)行鍵合以改善SWCNT和金屬電極間的接觸性能。納米焊接使SW

6、CNT與金屬電極間形成了可靠、低電阻的接觸，焊接后半導(dǎo)體性SWCNT與金屬電極接觸處在開(kāi)態(tài)時(shí)具有很小的有效Schottky勢(shì)壘高度和寬度。超聲納米焊接也使制得的CNTFET的器件性能被很大地改善，對(duì)于被焊接的背柵SC-CNTFET其開(kāi)態(tài)電流和跨導(dǎo)可分別達(dá)到18.9μA和3.6μS，器件也顯示了良好的開(kāi)關(guān)特性。通過(guò)使用AFM探針撥動(dòng)焊接后的SWCNT，我們也證實(shí)了焊接后SWCNT與金屬電極間的鍵合具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。使用金屬Au、Pd、T

7、i與SWCNT接觸時(shí)，制得的MC-CNTFET呈現(xiàn)p型特性，而使用Al作為接觸金屬時(shí)，MC-CNTFET呈現(xiàn)n型特性。這是因?yàn)樯鲜鰞深惤饘俜謩e具有高的和低的功函數(shù)，它們分別與SWCNT形成p型和n型的肖特基勢(shì)壘接觸。利用該特性，我們將Pd和Al分別作為連接SWCNT的漏極和源極，首次制得了金屬(A)/SWCNT/金屬(B)結(jié)構(gòu)的SWCNT太陽(yáng)能光伏電池，顯示了高的開(kāi)路電壓和功率轉(zhuǎn)換效率。 制得的MC-CNTFET顯示了在需要高跨