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碳纳米管场效应晶体管的设计

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碳纳米管定向网络场效应晶体管的制备及特性

碳纳米管定向网络场效应晶体管的制备及特性
ＺＨＡＩＣ ｕ ｘ ｅ ｈ ｎ．ｕ ，Ｗ ＡＮＧ ｏ ｚ ｅ ｇ Ｒｕ —ｈ ｎ ，ＭＡ ａ ，ＹＩ Ｔｉ— ｎ Ｃｈ ｏ Ｎ ｅ ｅ ，Ｗ Ｕ ｉｈ ａ Ｚｈ — ｕ ，
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

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

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1. 碳纳米管的化学气相沉积(CVD)生长。

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

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

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模型研究

碳纳米管场效应晶体管的模型研究

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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
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。
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。
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。
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
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。
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。
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.
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 50 μm/1 μm, 多通道SWCNTs-FET 结构。