專利名稱：一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管是現(xiàn)代微電子技術(shù)的一種關(guān)鍵性元器件，它可以用于顯示器、交易卡和身份識別器，易于制造，成本低等優(yōu)點。薄膜晶體管主要由源極、漏極、柵極、柵極絕緣層以及半導(dǎo)體組成。當(dāng)器件在積累模式時，電荷從源極注入半導(dǎo)體，在源漏之間移動形成電流。目前，用于薄膜晶體管的半導(dǎo)體材料主要是硅基材料，但是隨著微電子器件尺寸的不斷縮小，硅基電子器件的尺寸已接近其極限。因此開發(fā)新的、優(yōu)良的、可制備更小尺寸器件的半導(dǎo)體材料尤為重要。
碳納米管由于其獨特的力學(xué)和電學(xué)性能，已經(jīng)成為科學(xué)家廣泛關(guān)注的極具潛力的特殊功能材料和器件材料。目前，碳納米管被用于制備不同的電子元器件，尤其是具有半導(dǎo)體性能的碳納米管是制備場效應(yīng)晶體管的最有前途的材料。已有許多研究小組利用單根碳納米管制成了晶體管(1Derycke，V.；Martel，R.；Appenzeller，J.；Avouris，Ph.Nano.Lett.2001，1，453.2Martel，R.；Schmidt，T.；Shea，H.R.；Hertel，T.；Avouris，Ph.Appl.Phys.Lett.1998，73，2447.3Fuhrer，M.S.；Kim，B.M.；Durkop，T.；Brintlinger，T.Nano.Lett.2002，2，755.4Choi，W.B.；Chu，J.U.；Jeong，K.S.；Bae，E.J.；Lee，J.W.；Kim，J.J.；Lee，J.O.Appl.Phys.Lett.2001，79，3696.)。但是這些方法都離不開電子束光刻等儀器來制備，因為要想在宏觀層次上測量碳納米管的電學(xué)性能，淀積電極是非常困難的。目前的方法繁雜而且設(shè)備昂貴，這給碳納米管在器件方面的應(yīng)用帶來了極大的困難和復(fù)雜性。因而如何有效、簡單、方便地測量碳納米管的電學(xué)性能，成為許多科研和工程技術(shù)專家追求的目標(biāo)。
陣列碳納米管薄膜具有許多優(yōu)良的電學(xué)性能，它的物理和化學(xué)性能具有高度的各項異性。目前陣列碳納米管薄膜已經(jīng)廣泛用于場發(fā)射器件的研究(Nilsson，L.；Groening，O.；Emmenegger，C.；Kuettel，O.；Schaller，E.；Schlapbach，L.；Kind，H.；Bonard，J.M.；Kern，K.Appl.Phys.Lett.2000，76，2071)。王賢保等人用四探針方法測量了陣列碳納米管膜的不同方向的電子傳輸性能，發(fā)現(xiàn)其徑向和橫向表現(xiàn)為不同的半導(dǎo)體性能(Wang，X.B.；Liu，Y.Q.；Yu，G.；Xu，C.Y.；Zhang，J.B.；Zhu，D.B.J.Phys.Chem.B 2001，105，9422.)。因此，陣列碳納米管膜可以應(yīng)用于許多半導(dǎo)體器件，尤其是作為制備薄膜晶體管的半導(dǎo)體材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用一種陣列碳納米管膜作為半導(dǎo)體材料，制備了薄膜晶體管器件。通過一種簡單的方法，無需任何復(fù)雜的預(yù)處理過程，直接在柵極絕緣層上大面積生長出陣列規(guī)整、結(jié)構(gòu)均勻的碳納米管薄膜。然后在膜上用真空蒸鍍的方法淀積金電極作為源、漏電極，并在室溫下發(fā)現(xiàn)這種材料具有優(yōu)良的場效應(yīng)性能，其遷移率很高，可與硅電子器件相媲美。
本發(fā)明使用的陣列碳納米管薄膜是按照文獻(xiàn)(1Wang，X.B.；Liu，Y.Q.；Zhu，D.B.Appl.Phys.A.2000，71，347.2劉云圻，王賢保，朱道本，申請?zhí)?1124300.7)合成的，只是將n-型單晶硅片換為SiO2/高摻雜Si基片，其由直徑為20到200納米，長度為1到100微米的結(jié)構(gòu)均勻、陣列規(guī)整的碳納米管陣列組成。
本發(fā)明的一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法，依如下順序步驟進行以高摻雜硅作為柵電極，其上氧化一層200-400納米的SiO2作為柵極絕緣層，將此SiO2/高摻雜硅基片放入石英管中部，通入氫氣或氬氣中的一種氣體，氣體的流量控制一般為每分鐘10-100毫升，將控溫儀設(shè)置到800-1200℃，開始加熱，當(dāng)爐心溫度達(dá)到設(shè)置溫度時，將盛有金屬酞菁的石英舟放入路口溫度為500-600℃的區(qū)域，金屬酞菁的用量一般為石英舟體積的1/6-2/3，恒溫1-60分鐘后，停止加熱，繼續(xù)通氫氣使電爐冷至10-40℃，在基片上得到列陣碳納米管薄膜，將其放入真空鍍膜機，利用叉指電極模板真空蒸鍍金作為薄膜晶體管的源、漏極，薄膜晶體管的溝道長度為0.1-0.5毫米，寬度為50-66毫米。利用HP4140B半導(dǎo)體測試儀，在源漏電壓和柵極電壓為0--1V的范圍內(nèi)掃描，從而得出其遷移率和開關(guān)比。
本發(fā)明的器件是由碳納米管膜制備的P溝道薄膜晶體管，其空穴的場效應(yīng)遷移率高達(dá)79.5cm2/Vs.另外，本發(fā)明的P溝道器件的開關(guān)比大于100。而且，這些性能都是在空氣中測量得到的。
本發(fā)明制備的碳納米管薄膜晶體管具有下述特征和優(yōu)點1.本發(fā)明制備的陣列碳納米管薄膜晶體管器件在室溫下具有比較高的空穴遷移率，是一種理想的薄膜晶體管半導(dǎo)體材料。
2.通過改變反應(yīng)條件，可以控制碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而影響器件的空穴傳輸性能。
3.利用本發(fā)明的方法制備的薄膜晶體管與傳統(tǒng)的硅晶體管相比，工藝簡單，成本低廉。
4.本發(fā)明制備的陣列碳納米管薄膜晶體管與有機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率的并且在高溫下性能降低。而碳納米管在高溫下其結(jié)構(gòu)性能沒有大的影響，一般多壁碳納米管在空氣中600℃才開始氧化。因此陣列碳納米管薄膜晶體管在高溫時也具有優(yōu)良的性能和可靠性。


圖1陣列碳納米管薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)圖。1，高攙雜硅柵極；2，二氧化硅絕緣層；3，碳納米管膜；4，源極；5，漏極。
圖2掃描電子顯微鏡拍攝的陣列碳納米管薄膜的照片圖3透射電子顯微鏡拍攝碳納米管薄膜的形貌。
圖4掃描電子顯微鏡拍攝的陣列碳納米管薄膜晶體管的照片。
圖5碳納米管薄膜晶體管的輸出特性曲線圖6碳納米管薄膜晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。但本發(fā)明并不限于此例。
實施例1 如圖1所示，本發(fā)明的一種陣列碳納米管薄膜晶體管結(jié)構(gòu)依次包括高摻雜硅為柵極1，二氧化硅2為絕緣層，陣列碳納米管膜3作為半導(dǎo)體材料，金電極4，5為源、漏電極。將一塊20×20mm大小的SiO2/Si基片，放入石英管中部，連接好配氣系統(tǒng)，以每分鐘20毫升的流量通入氫氣，設(shè)置溫度950℃，使電爐升溫，當(dāng)爐心溫度達(dá)到900℃時，將盛有0.5克酞菁鐵的石英舟(5毫升)放入爐口溫度為550℃的區(qū)域恒溫5分鐘后停止加熱。冷卻至室溫。制得直徑為40納米，長度6微米的陣列規(guī)整、尺寸均勻的碳納米管。納米管的長度有掃描電子顯微鏡照片測得(圖2)和估算，直徑由透射電子顯微鏡照片(圖3)測得。然后在鍍膜機中用叉指電極模板真空蒸鍍金為源漏電極，溝道長度和寬度分別為0.4毫米和66毫米。器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，器件的形貌可由掃描電子顯微鏡照片(圖4)看到。最后，用HP4140B半導(dǎo)體測試儀測量器件的輸出特性曲線(圖5)和轉(zhuǎn)移特性曲線(圖6)，源漏電壓和柵極電壓在0--1V掃描。在空氣中測量器件的空穴場效應(yīng)遷移率為～79.3cm2/Vs，開關(guān)比大于～100。
實施例2 按實施例1的制備方法，只是將溝道長度和寬度改變?yōu)?.2毫米和53毫米，在室溫下測量所得的器件的空穴場效應(yīng)遷移率為～48.9cm2/Vs，開關(guān)比大于～75。
權(quán)利要求
1.一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法，依如下順序步驟進行以高摻雜硅作為柵電極，其上氧化一層200-400納米的SiO2作為柵極絕緣層，將此SiO2/高摻雜硅基片放入石英管中部，通入氫氣或氬氣中的一種氣體，將控溫儀設(shè)置到800-1200℃，開始加熱，當(dāng)爐心溫度達(dá)到設(shè)置溫度時，將盛有金屬酞菁的石英舟放入路口溫度為500-600℃的區(qū)域，恒溫1-60分鐘后，停止加熱，繼續(xù)通氫氣使電爐冷至10-40℃，在基片上得到列陣碳納米管薄膜，將其放入真空鍍膜機，利用叉指電極模板真空蒸鍍金作為薄膜晶體管的源、漏極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述氣體的流量控制為每分鐘10-100毫升。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述金屬酞菁的用量為石英舟體積的1/6-2/3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述薄膜晶體管的溝道長度為0.1-0.5毫米，寬度為50-66毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列碳納米管薄膜晶體管的制備方法，依如下順序步驟進行將SiO
文檔編號H01L21/02GK1490856SQ02145889
公開日2004年4月21日 申請日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者劉云圻, 肖愷, 胡平安, 于貴, 王賢保, 朱道本 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所