碳纳米管随机网络场效应晶体管电学性能分析

常永嘉，皇 华，黄文龙

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

碳纳米管随机网络场效应晶体管电学性能分析

常永嘉，皇 华，黄文龙

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

利用电子束蒸发技术在Si衬底形成Au电极作为底栅电极，在底栅电极上生长SiO2薄膜。超声分散CVD法合成的商用单壁碳纳米管(SWCNTs)，使用匀胶机将单壁碳纳米管悬浮液均匀旋涂于SiO2薄膜上。再利用荫罩式电子束蒸发技术，在单壁碳纳米管随机网络薄膜表面制备漏源电极。该工艺过程避免了碳纳米管过多的化学接触，有效地保护了碳纳米管的性状。在室温条件下对器件电学性能进行测试和分析。使用该方法制备的单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管，具有器件性能稳定、重复性和一致性较好等优点，并可用于构建碳纳米管逻辑电路。该方法对于研究基于碳纳米管的大规模、低成本的集成电路，具有较高的借鉴价值。

单壁碳纳米管;随机网络;场效应晶体管;荫罩式电子束蒸发;底栅

碳纳米管(CNT，Carbon Nanotubes)［1］具有独特的机械，热学和电学特性。其载流子传输是一维的，意味着其载流子散射的相空间减小，弹道传输［2］和相应功耗降低。强共价键使得CNT具有较好的机械特性、热稳定性和抗电迁移性，可以承受109A/cm2的电流密度。碳纳米管在结构上分为单壁碳纳米管(SWCNT，Single－walled Carbon Nanotubes)和多壁碳纳米管(MWCNT，Multi－walled Carbon Nanotubes)，导电性又分为金属性和半导体性CNT。金属性CNT是弹道导体，在未来纳米电子学互连技术中有发展空间;半导体性CNT迁移率比其他半导体材料高25%，有望在半导体芯片和生物传感器等应用领域取代传统半导体材料。

1998年首次制作成功 CNTFET 器件［3－4］，如图 1所示。采用光刻将一个SWCNT预先制作在氧化硅芯片上，跨接两个金属电极。利用重掺杂硅片作为背栅，两个金属电极作为漏源电极，SWCNT起沟道的作用。该CNTFET类似P型FET工作原理，ION/IOFF电流 ＞105。然而该器件寄生接触电阻较高、跨导低、反向亚阈值斜率高。由于CNT只是简单搭在Au电极上，由范德瓦尔斯力吸附在一起，容易造成接触不良，器件性能下降。

2008年Qing Cao等人设计研究了基于单壁碳纳米管(SWCNTs)随机网络场效应晶体管的中规模集成电路。在聚酰亚胺材料的柔性衬底上制备集成近100个单壁碳纳米管随机网络场效应晶体管［5］。这种基于单壁碳纳米管随机网络的场效应晶体管，具有一定的优越性能，例如，器件迁移率为80 cm2V－1s－1，阈值电压的斜率低于140 mVdec－1。开关比为105。这项研究代表了目前关于碳纳米管器件及相关应用研究领域的最高水平。

图1 早期CNTFET结构示意图

研究表明，基于碳纳米管的场效应晶体管电学特性，主要依赖于碳纳米管的结构和直径［6］。如果用单根碳纳米管制成一只晶体管，它的性能将远超过目前硅芯片上任何晶体管的性能。但这种制备工艺的困难在于:(1)CNT合成制备时，部分管子在结构上存在缺陷，这会导致单根CNT器件的电学性能有较大差异，降低器件的成品率。(2)单根CNT阻抗高，输出电流低，因此难以按照集成电路要求，将单根CNT精确定位到单个碳纳米管场效应晶体管上。(3)以目前技术条件，需要人工组装单根CNT制备器件，需要几天的时间，严重影响生产效率。为解决上述问题，利用单壁碳纳米管形成的碳纳米管随机网络薄膜或者碳纳米管阵列薄膜，或随机网络与阵列结合的形式，代替单根CNT。这种方法，可以最大程度地降低单根CNT器件电学特性的差异，减小阻抗、增大输出电流，解决了碳纳米管场效应晶体管需要对单根CNT精确定位的问题［7－8］。

1 实验

第一步，利用电子束蒸发技术在硅衬底表面沉积厚度为50 nm的Au作为底栅电极。

第二步，在底栅电极上，热氧化生长一层200 nm的SiO2作为栅绝缘层。

第三步，使用CVD法制成的商用单壁碳纳米管来制备单壁碳纳米管随机网络薄膜。如图2(a)所示，为高分辨率电镜观察的单壁碳纳米管图形。单壁碳纳米管的直径约为2 nm，长度为10～20 nm。首先将单壁碳纳米管在异丙酮溶液中超声分散2 h，并通过高速离心操作，获得分散性较好，稳定性较高的单壁碳纳米管悬浮液。将表面生长有栅氧化层的硅基进行表面清洁处理。使用匀胶机将碳纳米管悬浮液均匀的旋涂于栅绝缘层表面，匀胶机转速设置为500 r/min。烘干后，便可以在绝缘层表面形成单壁碳纳米管随机网络薄膜，其SEM图片如图2所示，图2(b)为局部放大图片。

图2 单壁碳纳米管随机网络薄膜SEM图片

第四步，利用荫罩式电子束蒸发技术形成源漏电极。首先，制作模板，将一定直径的钨丝固定在模板上，如图3(a)所示。然后放置样品于缠绕有钨丝的模板下方，并固定好。随后将样品放入电子束镀膜蒸发系统，利用高能电子束轰击金属靶，使之蒸发，在样片表面沉积，制备出样品的源极和漏极。在碳纳米管随机网络薄膜表面沉积50 nm厚度的Au作为漏源电极，漏源间距即器件沟道长度为L=5 nm，图3(b)为电极的局部示意图。

第五步，将器件在300℃条件下通氩气退火处理10 min，便可制备得到底栅结构的单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管。

图3 荫罩式电子束沉积法示意图

2 结果与分析

图4为底栅结构碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管结构示意图。在室温下测量碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管的电特性。为避免测量误差，进行多次重复测量和数据分析。实验发现，制备的单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管，室温条件下测得的电学信号依然保持较好的稳定性、一致性和重复性。图5是在不加栅压下，具有良好源漏电接触的碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管，重复测得的典型漏源电流与电压的关系曲线。在不加栅压时，漏源电流和电压基本表现为线性关系，说明不加栅电压时的单壁碳纳米管随机网络薄膜具有导体特性。实验表明，制备该器件所使用的商用单壁碳纳米管，主要由半导体性碳纳米管组成，但含有部分金属性碳纳米管成分。

图6(b)所示为漏源电压VDS=－1 V时，该器件的转移特性曲线。碳纳米管场效应晶体管的阈值电压约为6 V。从转移特性可以看出，单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管是p型场效应晶体管，其多数载流子主要为空穴。对比图6(a)传统MOS场效应晶体管转移特性曲线，单壁碳纳米管晶体管转移特性曲线在VGS＜0 V时，电流变化很小，趋于饱和状态。

利用IDS与VGS的关系来计算跨导。漏极电流IDS表达式为

这是计算漏极电流的萨之唐方程。COX是单位面积栅氧化层电容;，其中d为栅氧化层厚度;εOX为氧化层绝对介电常数;L是沟道长度。

在饱和区(VDS＞VDSAT)，将VDSAT=VGS－VT代入萨之唐方程，可得

有了漏极电流表达式，利用跨导定义式来计算跨导，可得

其中，式(3)为饱和区跨导，栅电容CG=COXWL。

由图6中漏源电流电压IDS－VGS关系曲线可计算得到，当VGS=－20 V，VDS=－1 V时，器件的峰值跨导为320 ns。该底栅结构的单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管开启电流约1 μA。从跨导表达式可以看出，为提高跨导，器件设计应该考虑:减小沟道长度L;减小栅氧化层厚度d，以提高栅电容CG;在NMOS和PMOS两种结构中，选择NMOS结构，因为电子的表面迁移率高于空穴。同时，由转移特性曲线可以看出，该器件的开关比较小，原因在于:碳纳米管具有1/3的金属性和2/3的半导体性。当碳纳米管随机网络薄膜中碳管的浓度较大时，会导致薄膜整体金属性增强，从而使得器件关断电流增大，降低了该器件的开关比。因此，利用单壁碳纳米管随机网络薄膜制备场效应晶体管，应注意薄膜中碳纳米管的浓度，尽量减少薄膜中碳纳米管的金属性，以此来进一步改进器件的性能。

图7所示，是碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管的输出特性曲线。当栅极所加电压VGS从－20～0 V逐渐增加时，曲线的陡直程度逐渐减小，即随着栅压增加，漏源电流相应减小，主要原因是:当栅压较大时，垂直于器件表面的纵向电场也较大，多数载流子在沿沟道漂移运动时，发生更多碰撞，导致载流子迁移率的下降。

实验结果表明，当漏源电压为负电压时，漏极电流随着栅压的改变有较大的变化，即栅压调制效应明显。而当所加漏源电压为正电压时，漏极电流基本不随栅压改变而变化，其原因在于:该器件多数载流子为空穴，当施加的漏源电压为正电压时，空穴要越过一个较高的能量势垒，产生漏源电流的载流子数量较少，使该器件处于关断状态。

图7 单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管输出特性曲线

3 结束语

成功制备了单壁碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管，并对器件的电特性进行了测量和分析。从输出特性曲线可以观察到明显的栅压调制效应。然而由于制备的碳纳米管随机网络薄膜中碳管浓度较高，导致金属性较大，转移特性曲线显示器件开关比较低。可以通过降低碳纳米管浓度以及消除金属性影响等途径进一步提高器件性能。

研究表明，使用该方法制备的碳纳米管随机网络薄膜场效应晶体管，具有器件性能稳定，工艺过程简单等特点，为碳纳米管相关器件的研究和发展做出了有益的探索。利用荫罩式电子束蒸发技术，可以使碳纳米管避免过多的化学接触，有效保护了碳纳米管的纯度和电特性。

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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，硕士研究生。研究方向:微电子学与固体电子学，碳纳米管随机网络场效应晶体管电学性能。