CN107819037B - 应用碳纳米管作为导电沟槽的鳍式场效应管及其制备方法 - Google Patents

应用碳纳米管作为导电沟槽的鳍式场效应管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种场效管，采用立式源极、漏极和栅极，在上面并排黏着更多的碳纳米管作为沟槽并将碳纳米管架空形成一个三维鳍式场效应晶体管器件。采用立式的栅极可以节省基底的平面面积，能够把工艺线宽做到最小。将碳纳米管架空可以提高载流子的弹道速度，使用多根碳纳米管能够提高电流密度，这些设计可以显著提高场效应晶体管的性能。将电极设计成立式的可以有效节省基底的平面面积，使得单个场效应晶体管可以做的更小，超小的晶体管不仅能显示出量子效应也使得同样大小的芯片上可以放下更多的晶体管，更加提高了芯片的性能。将碳纳米管架空使之不与基底接触，架空后可以提高载流子的弹道速度，使得晶体管具有更好的性能。

Description

应用碳纳米管作为导电沟槽的鳍式场效应管及其制备方法
技术领域
本发明涉及场效应管，特别是涉及应用碳纳米管作为导电沟槽的鳍式场效应管及其制备方法。
背景技术
当今信息化时代，集成(IC)电路起着举足轻重的作用，它是电子信息技术发展的基础和核心。集成电路的快速发展与现代通信、计算机、Internet和多媒体技术的发展相互带动，极大地影响着现在生活的方方面面，其中用于IC电路的场效应晶体管有着举足轻重的地位。场效应晶体管(Field EffectTransistor缩写(FET))简称场效应管，由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管，它属于电压控制型半导体器件。
遵循着摩尔定律，传统的集成电路硅基晶体管的特征尺寸不断缩小，然而受自身材料特性的限制，其最小尺寸已接近极限。随着尺寸的不断缩小，受众多非理想效应的影响，器件的性能不再随其尺寸的等比例缩小而等比例提高。
为突破传统MOS晶体管的尺寸限制，科学家采用碳纳米管代替了传统的硅材料来制造场效应器件，现有的碳纳米管场效应晶体管多为二维单根碳管的形式。
钟汉清等提出并研究了一种非对称肖特基接触型单壁碳纳米管场效应晶体管(SWNT-FET)。在这种非对称接触结构的SWNTFET，两种不同功函数的金属与碳纳米管形成肖特基接触。碳纳米管的一端与低功函数的金属铝(Al)形成源极，另一端与高功函数金属钯(Pd)形成漏极。对于漏端Pd/CNT，外加负栅压，可以降低势垒高度，有利于载流子的流动，增大电流。对于源端Al/CNT，外加正性栅压，降低了势垒高度，有利于电子注入沟道，电流得到增强。
其性能还是有很大的上升空间的。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种场效应管，性能更优。
一种场效应管，包括：
硅基底，所述硅基底的长度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的源极，所述源极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述源极由金属铝制成；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的栅极，所述栅极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述栅极包括互相接触的金属金层和二氧化硅绝缘层制成，所述金属金层的厚度为4到6纳米；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的漏极，所述漏极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述漏极由金属钯制成；以及
与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极接触的多根互相平行的碳纳米管，所述碳纳米管与所述硅基底平行，所述多根碳纳米管中离所述硅基底最近的一根碳纳米管离所述硅基底的距离大于或者等于5纳米，所述多根碳纳米管之间的距离大于或者等于5纳米；
其中，所述栅极位于所述源极和所述漏极之间；所述栅极与源极之间的距离大于或者等于50纳米；所述栅极与漏极之间的距离大于或者等于50纳米；所述源极、所述栅极和所述漏极的长度、宽度和高度相等。
上述场效应管具有以下技术效果：
立式电极结构：将晶体管的源极、漏极和栅极设计为柱式的三维结构；这样的结构节省了平面面积，缩小了晶体管尺寸，增加了芯片上晶体管的数量使得性能更好；
多根碳纳米管沟槽结构：采用多根碳纳米管作为导电沟槽，以此获得比单根碳纳米管更高的电流密度；
碳纳米管架空结构：针对传统的场效应晶体管，电子在传输过程中，会吸引基底表面的正电荷，因此基底表面的正电荷呈波型运动，基底表面声子极化并产生热量，影响了场效应晶体管的性能。而且在电子传输的过程中，由于与基底表面的正电荷相互吸引，传输速度受到影响，降低，极大地影响了它的电子迁移率，因此架空以后可以提高载流子的弹道速度，可以避免基底表面声子极化及其热量的产生，改善电子迁移率，提高晶体管的性能；
碳纳米管作为导电沟槽：对于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管，它的电流计算方式为其中μeff表示载流子迁移率，/>表示长宽比，Cox(Vg-Vt)表示沟道内的电荷量，Vds表示源极和漏极两端所加电压。而碳纳米管作为导电沟槽的场效应晶体管，它的电流计算方式为/> 表示源极、漏极两端所加电压，表示载流子的运动速度，表示接触处传输，表示沟道内的电荷；可以发现，用碳纳米管作导电沟槽的场效应晶体管能够获得更高的电流。
在另外的一个实施例中，所述硅基底的长度是500纳米、宽度是300纳米和厚度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述源极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述栅极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述漏极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述碳纳米管的数量为3根或4根或5根。
在另外的一个实施例中，所述多根碳纳米管之间的距离相等。
在另外的一个实施例中，利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点。
在另外的一个实施例中，在“利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点”中电子束诱导沉积法爆点的数量为1个或者2个或者3个或者4个。
一种上述任一项所述场效应管的制备方法，
制作栅极：在硅基底上通过电子束诱导沉积法固定硅纳米线，对硅纳米线氧化得到二氧化硅绝缘层，然后用电子束诱导沉积法在其表面打上一层金属金层；
制作源极：在硅基底上涂光刻胶，利用第一掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属铝，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离；
制作漏极：在硅基底上涂光刻胶，利用第二掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属钯，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离；
将多根碳纳米管组装到所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的表面。
在另外的一个实施例中，利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点。
在另外的一个实施例中，在“利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点”中电子束诱导沉积法爆点的数量为1个或者2个或者3个或者4个。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种场效应管的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法的流程图。
图3为本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法中制作源极、栅极和漏极的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1，一种场效应管，包括：硅基底100、设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的源极200、设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的栅极300、设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的漏极400和与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极接触的多根互相平行的碳纳米管500。
所述硅基底的长度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米。
所述源极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述源极由金属铝制成。
所述栅极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述栅极包括互相接触的金属金层310和二氧化硅绝缘层320制成，所述金属金层的厚度为4到6纳米。较优地，所述金属金层的厚度为5纳米。
所述漏极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述漏极由金属钯制成。
所述碳纳米管与所述硅基底平行，所述多根碳纳米管中离所述硅基底最近的一根碳纳米管离所述硅基底的距离大于或者等于5纳米，所述多根碳纳米管之间的距离大于或者等于5纳米。
所述栅极位于所述源极和所述漏极之间。所述栅极与源极之间的距离大于或者等于50纳米。所述栅极与漏极之间的距离大于或者等于50纳米。所述源极、所述栅极和所述漏极的长度、宽度和高度相等。
将碳纳米管架空使之不与基底接触，前面介绍过场效应晶体管是由多数载流子参与导电的，架空后可以提高载流子的弹道速度，使得晶体管具有更好的性能。
上述场效应管具有以下技术效果：
立式电极结构：将晶体管的源极、漏极和栅极设计为柱式的三维结构；这样的结构节省了平面面积，缩小了晶体管尺寸，增加了芯片上晶体管的数量使得性能更好；
多根碳纳米管沟槽结构：采用多根碳纳米管作为导电沟槽，以此获得比单根碳纳米管更高的电流密度；
碳纳米管架空结构：针对传统的场效应晶体管，电子在传输过程中，会吸引基底表面的正电荷，因此基底表面的正电荷呈波型运动，基底表面声子极化并产生热量，影响了场效应晶体管的性能。而且在电子传输的过程中，由于与基底表面的正电荷相互吸引，传输速度受到影响，降低，极大地影响了它的电子迁移率，因此架空以后可以提高载流子的弹道速度，可以避免基底表面声子极化及其热量的产生，改善电子迁移率，提高晶体管的性能；
碳纳米管作为导电沟槽：对于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管，它的电流计算方式为，其中表示载流子迁移率，表示长宽比，表示沟道内的电荷量，表示源极和漏极两端所加电压。而碳纳米管作为导电沟槽的场效应晶体管，它的电流计算方式为，表示源极、漏极两端所加电压，表示载流子的运动速度，表示接触处传输，表示沟道内的电荷；可以发现，用碳纳米管作导电沟槽的场效应晶体管能够获得更高的电流。
在另外的一个实施例中，所述硅基底的长度是500纳米、宽度是300纳米和厚度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述源极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述栅极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述漏极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
在另外的一个实施例中，所述碳纳米管的数量为3根或4根或5根。
在另外的一个实施例中，所述多根碳纳米管之间的距离相等。
在另外的一个实施例中，利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点。
在另外的一个实施例中，在“利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点”中电子束诱导沉积法爆点600的数量为1个或者2个或者3个或者4个。
碳纳米管与金属电极接触电阻测量，任何两个物体表面接触时，必然产生接触电阻，它主要由集中电阻和膜层电阻两部分组成。其中，集中电阻指的是电流通过实际接触面时，由于电流线收缩(或称集中)而呈现的电阻。两物体接触时，即使表面十分光滑，他们之间的接触在微观下也并非整个面的接触，而是接触面上的点接触，实际接触面大小与物体表面光滑程度和接触压力大小有关.膜层电阻是指两物体表面界面处的污染薄膜相互接触后产生的电阻。大气中不存在真正洁净的金属表面，其表面要么被氧化、要么吸附气体薄膜、要么沉积大气中的尘埃，因此在微观下，任何接触面都是污染面。电流通过污染面时就会呈现膜层电阻。在实际测量中，通常不对集中电阻和膜层电阻加以区分，而是测量电流流过两物体接触面时产生的总电阻。两者接触电阻的大小主要与碳纳米管(CNT)金属间的接触压力和两种材料的功函数(逸出功)有关。接触压力越大、功函数差异越小，CNT与金属间的接触电阻就越小。
用电子束诱导沉积法(EBID)法对碳纳米管与金电极接触部分进行沉积打点，增大了CNT/金属的接触力，从而增大了有效接触面积，降低了两者之间的接触电阻。
参阅图2为本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法的流程图；和图3为本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法中制作源极、栅极和漏极的示意图。
一种上述任一项所述场效应管的制备方法，
S110、制作栅极：在硅基底上通过电子束诱导沉积法固定硅纳米线，对硅纳米线氧化得到二氧化硅绝缘层，然后用电子束诱导沉积法在其表面打上一层金属金层。
可以达到传统工艺方法达不到的高精度(生成二氧化硅绝缘层和金属金层)
S120、制作源极：在硅基底上涂光刻胶，利用第一掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属铝，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离。
S130、制作漏极：在硅基底上涂光刻胶，利用第二掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属钯，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离。
S140、将多根碳纳米管组装到所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的表面。
在另外的一个实施例中，利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点。
在另外的一个实施例中，在“利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点”中电子束诱导沉积法爆点的数量为1个或者2个或者3个或者4个。
可以理解，制作源极、栅极和漏极的顺序不限。
具体地，首先通过多操作纳米机器手从初步分散的CNT簇中拾取单根CNT。通过多操作纳米机器手控制CNT的根部对准电极表面并逐渐靠近，在范德华力的作用下两者相互吸附，用电子束诱导沉积法增加CNT与金属电极之间的接触力，增加其接触稳定性，并降低接触电阻。最终形成三维立体的鳍式碳纳米管场效应晶体管。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种场效应管，其特征在于，包括：
硅基底，所述硅基底的长度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的源极，所述源极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述源极由金属铝制成；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的栅极，所述栅极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述栅极包括互相接触的金属金层和二氧化硅绝缘层制成，所述金属金层的厚度为4到6纳米；
设于所述硅基底上且与所述硅基底垂直的漏极，所述漏极的高度是450纳米到600纳米、宽度是250纳米到350纳米和厚度75纳米到125纳米，所述漏极由金属钯制成；以及
与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极接触的多根互相平行的碳纳米管，所述碳纳米管与所述硅基底平行，所述多根碳纳米管中离所述硅基底最近的一根碳纳米管离所述硅基底的距离大于或者等于5纳米，所述多根碳纳米管之间的距离大于或者等于5纳米；
其中，所述栅极位于所述源极和所述漏极之间；所述栅极与源极之间的距离大于或者等于50纳米；所述栅极与漏极之间的距离大于或者等于50纳米；所述源极、所述栅极和所述漏极的长度、宽度和高度相等；
上述场效应管的制备方法：
制作栅极：在硅基底上通过电子束诱导沉积法固定硅纳米线，对硅纳米线氧化得到二氧化硅绝缘层，然后用电子束诱导沉积法在其表面打上一层金属金层；
制作源极：在硅基底上涂光刻胶，利用第一掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属铝，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离；
制作漏极：在硅基底上涂光刻胶，利用第二掩膜版进行曝光和然后显影，利用沉积法沉积金属钯，用丙酮进行溶解光刻胶从而对光刻胶剥离；
将多根碳纳米管组装到所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的表面。
2.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述硅基底的长度是500纳米、宽度是300纳米和厚度100纳米。
3.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述源极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
4.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述栅极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
5.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述漏极的高度是500纳米、长度是300纳米和宽度100纳米。
6.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述碳纳米管的数量为3根或4根或5根。
7.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述多根碳纳米管之间的距离相等。
8.根据权利要求1所述的场效应管，其特征在于，利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点。
9.根据权利要求8所述的场效应管，其特征在于，在“利用电子束诱导沉积法在所述多根碳纳米管与所述源极、所述二氧化硅绝缘层和所述漏极的接触部分进行沉积打点”中电子束诱导沉积法爆点的数量为1个或者2个或者3个或者4个。
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