CN109326714B - 碳纳米管场效应管的制备方法、制备装置及电子器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于，该方法包括：在碳纳米管薄膜场效应晶体管的源漏接触电极形成之前，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物，以减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
Description
技术领域
本公开涉及一种碳纳米管场效应管的制备方法、制备装置及电子器件。
背景技术
场效应晶体管(Field Effect Transistor，缩写FET)，简称场效应管，利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。与电子和空穴同时参与导电的双极型晶体管不同，场效应晶体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，具有输入电阻高(107～1015Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
基于碳纳米管薄膜的场效应晶体管和电路是近年来纳米科技领域中的热点，如何进一步缩小碳纳米管薄膜场效应晶体管的特征尺寸正面临着严重的挑战。其中，如何有效地减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅(Subthreshold Swing，缩写SS)是缩小器件尺寸和提高电路集成度的关键。其中，关态电流实际上是器件的漏电流，其影响器件功耗的大小，由器件本身性质决定；亚阈值摆幅是指使源漏电流变化一个量级所需要施加的栅电压增量，其大小描述了关断的速度，亚阈值摆幅越小，意味着晶体管的关断越快。
碳纳米管薄膜制备过程中需要缠绕高分子聚合物在碳纳米管表面，由于聚合物具有弱导电性，从而引起了较大的关态电流和亚阈值摆幅。因此，如何有效地去除聚合物正成为进一步缩小器件尺寸和提高电路集成度的关键。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法、制备装置及电子器件。
根据本公开的一个方面，一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其包括：在碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物，以减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
根据本公开的至少一个实施方式，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物的步骤包括：将碳纳米管薄膜置于真空反应腔室中；在真空反应腔室中提供含氢等离子体；以及使含氢等离子体与碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物反应，来去除高分子聚合物。
根据本公开的至少一个实施方式，在真空反应腔室中提供含氢等离子体的步骤包括：向真空反应腔室提供能够被激发出含氢等离子体的气体。
根据本公开的至少一个实施方式，向真空反应腔室分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体。
根据本公开的至少一个实施方式，通过电感耦合、电容耦合或回旋电子共振来激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，使得含氢等离子体还原高分子聚合物，形成可挥发性还原反应产物。
根据本公开的至少一个实施方式，真空腔室的真空度小于500毫托。
根据本公开的至少一个实施方式，真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。
根据本公开的另一方面，一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备装置，其包括：真空反应腔室，用于在碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，容纳碳纳米管薄膜；气体通入装置，用于向真空反应腔室中通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体；以及激发装置，用于激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，其中，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物，以减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
根据本公开的至少一个实施方式，真空反应腔室的真空度小于500毫托，以及真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。
根据本公开的再一方面，一种电子器件，包括根据上述一个方面的方法制成的碳纳米管薄膜场效应晶体管或者根据上述另一方面的装置制成的碳纳米管薄膜场效应晶体管。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开至少一个实施方式碳纳米管薄膜场效应晶体管的示意图。
图2是根据本公开至少一个实施方式碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备示意图。
图3是根据本公开至少一个实施方式去除高分子聚合物的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
图1示出了根据本公开的一个实施方式的碳纳米管薄膜场效应晶体管的结构示意图。
碳纳米管薄膜场效应晶体管可包括基底1、碳纳米管薄膜2、源电极3、漏电极4、介电层5、以及栅电极6。
基底1可具有例如4英寸的尺寸至第10.5代背板玻璃的尺寸。
碳纳米管薄膜2位于基底1上。碳纳米管薄膜2可通过将基底1上的碳纳米管薄膜图案化而得到的，其中碳纳米管薄膜可以是在基底1上制备的，可通过将碳纳米管溶液涂覆在基底1上来制备碳纳米管薄膜。在本公开的一些实施方式中，可通过将基底1浸入碳纳米管溶液中来在基底1上形成碳纳米管薄膜。本公开中提到的碳纳米管溶液指的是将碳纳米管溶解在水或有机溶剂中形成的溶液。碳纳米管薄膜2形成了碳纳米管薄膜场效应晶体管的沟道区。
源电极3和漏电极4均与碳纳米管薄膜2电连接。虽然在图1中示出了源电极3和漏电极4均与碳纳米管薄膜2直接接触，然而本领域技术人员应理解源电极3和漏电极4还可通过导线等方式与碳纳米管薄膜2电连接。源电极3和漏电极4可通过光刻、镀膜等工艺形成。
介电层5位于栅电极6与碳纳米管薄膜2之间。栅电极6与介电层5相接触。栅电极6可通过光刻、镀膜等工艺形成在介电层5上。
图2示出了制备本公开的碳纳米管薄膜场效应晶体管的流程示意图。
首先，在步骤S1中，提供基底1。在步骤S2中，在基底1上形成碳纳米管薄膜2。之后，在步骤3中，在基底1上形成源电极3和漏电极4。在步骤4中，在基底1上形成栅电极6及介电层5，该介电层5位于栅电极6与碳纳米管薄膜图案2之间。
在基底1上形成碳纳米管薄膜2的过程中，首先需要碳纳米管材料通过分散剂进行分散，然后再通过涂覆方式等形成在基底1上。而在对碳纳米管材料进行分散的过程中，往往使用高分子聚合物，例如有机高分子聚合物等。这样，在形成后的碳纳米管薄膜表面上将残留这些高分子聚合物，由于这些高分子聚合物的导电性较差，因此会形成较大的关态电流和亚阈值摆幅。因此，如何有效地碳纳米管薄膜制备过程中缠绕在碳纳米管表面的高分子聚合物的残留正成为进一步缩小器件尺寸和提高电路集成度的关键。
在本公开的一个实施方式中，在碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物，以减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
参照图3，在本公开的一个可选实施方式中，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物的步骤包括：S21：将碳纳米管薄膜置于真空反应腔室中；S22：在真空反应腔室中提供含氢等离子体；以及S23：使含氢等离子体与碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物反应，来去除高分子聚合物。
其中，在步骤S22中，在真空反应腔室中提供含氢等离子体的过程中，向真空反应腔室提供能够被激发出含氢等离子体的气体。在提供该气体的过程中，可以向真空反应腔室分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体等等。
在上述气体通入真空反应腔室中之后，可以通过电感耦合、电容耦合、或回旋电子共振等方法激发该气体以产生含氢等离子体。
在本公开的一个优选实施方式中，真空反应腔室的真空度可以小于500毫托(mTorr)，但是本公开对此并不特别限定。此外，真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。进一步优选地，处理时间可以为10～120秒。
反应温度的选择主要取决于反应本身的热力学和动力学特性。对于不同的有机高分子聚合物，其与含氢等离子体的反应原理也不同，反应的热力学和动力学特性自然也不同。对于特定的反应，通过实验，可以得到温度对于反应热力学和动力学的影响，以此选择最佳的反应温度，获得最佳的反应效果，即快速彻底地清除碳纳米管薄膜表面的有机高分子聚合物，同时不对处理的碳纳米薄膜产生不利影响。反应时间由样品的量、等离子体的密度、反应的动力学特性、以及反应温度等决定。
激发产生的含氢等离子体用于有效地还原高分子聚合物，从而形成可挥发性还原反应产物，这样可以有效地去除碳纳米管薄膜的高分子聚合物。
利用本公开提供的方法处理碳纳米管薄膜场效应晶体管，可以达到有效去除其表面的有机高分子聚合物的目的，经过处理的碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅同时降低，使得碳纳米管薄膜场效应晶体管的性能得到了极大地提升。
实施例1：
在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成200mTorr，温度设成200℃；向真空反应腔室通入惰性气体和氢气的混合气体，激发出含氢等离子体，通过含氢等离子体还原高分子聚合物，之后制备源电极、漏电极、介电层及栅电极。测量得到碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅。
实施例2：
在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成300mTorr，温度设成100℃；向真空反应腔室通入氨气，激发出含氢等离子体，通过含氢等离子体还原高分子聚合物，之后制备源电极、漏电极、介电层及栅电极。测量得到碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅。
实施例3：
在将碳纳米管溶液涂覆在基底形成碳纳米管薄膜之后，将其放入真空反应腔室中，真空反应腔室的真空度设置成400mTorr，温度设成室温；向真空反应腔室通入氨气，激发出含氢等离子体，通过含氢等离子体还原高分子聚合物，之后制备源电极、漏电极、介电层及栅电极。测量得到碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅。
对比例
在形成源电极与漏电极之前，不通过含氢等离子体来去除高分子聚合物。测量得到碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅。
通过将实施例1至3与对比例测得的碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅的结果比较可知，通过实施例1至3处理的碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流从处理前的5e-8A/μm降低到处理后的6e-13A/μm，其亚阈值摆幅从150mV/dec减小到100mV/dec。因此，可以证明实施例1至3可以有效地减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅。
本公开利用含氢等离子体处理碳纳米管薄膜场效应晶体管源漏区的方法来同时减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流和亚阈值摆幅，可以进一步缩小器件尺寸和提高电路集成度。
根据本公开的另一方面，还提供了一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备装置，包括：真空反应腔室，用于在碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，容纳碳纳米管薄膜；气体通入装置，用于向真空反应腔室中通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体；以及激发装置，用于激发真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，其中，通过含氢等离子体去除碳纳米管薄膜表面的高分子聚合物，以减小碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
并且在一个可选实施方式中，真空反应腔室的真空度可以小于500毫托，以及真空反应腔室的处理温度可以为室温至200摄氏度，处理时间可以为10～120秒。
根据本公开的其他方面，本公开还涉及一种通过上述方法及上述设备制成的碳纳米管薄膜场效应晶体管以及使用其的集成电路及电子设备等。通过上述方法和上述设备的处理，该碳纳米管薄膜场效应晶体管具有较小的关态电流和亚阈值摆幅。
此外，在本公开中未经描述的常规的制备方法及制备装置可以采用现有技术的方式获得，为了简略起见在本公开中并不进行赘述。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
Claims (10)
1.一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在所述碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，通过含氢等离子体去除所述碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物，以减小所述碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过含氢等离子体去除所述碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物的步骤包括：
将所述碳纳米管薄膜置于真空反应腔室中；
在所述真空反应腔室中提供所述含氢等离子体；以及
使所述含氢等离子体与所述碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物反应，来去除所述高分子聚合物。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述真空反应腔室中提供所述含氢等离子体的步骤包括：向所述真空反应腔室提供能够被激发出含氢等离子体的气体。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，向所述真空反应腔室分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，通过电感耦合、电容耦合或回旋电子共振来激发所述真空反应腔室通入的气体，以产生所述含氢等离子体，使得所述含氢等离子体还原所述高分子聚合物，形成可挥发性还原反应产物。
6.如权利要求2至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空反应腔室的真空度小于500毫托。
7.如权利要求2至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。
8.一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括：
真空反应腔室，用于在所述碳纳米管薄膜场效应晶体管的源电极和漏电极形成之前，容纳所述碳纳米管薄膜；
气体通入装置，用于向所述真空反应腔室中分别通入惰性气体和氢气；或者通入惰性气体和氢气的混合气体；或者通入氨气；或者分别通入氟化氮气体和氢气；或者通入氟化氮和氢气的混合气体；以及
激发装置，用于激发所述真空反应腔室通入的气体，以产生含氢等离子体，
其中，通过所述含氢等离子体去除所述碳纳米管薄膜的表面的高分子聚合物，以减小所述碳纳米管薄膜场效应晶体管的关态电流及亚阈值摆幅。
9.如权利要求8所述的制备装置，其特征在于，所述真空腔室的真空度小于500毫托，以及所述真空反应腔室的处理温度为室温至200摄氏度。
10.一种电子器件，其特征在于，所述电子器件包括根据权利要求1至7任一项所述的方法制成的碳纳米管薄膜场效应晶体管或者根据权利要求8或9所述的装置制成的碳纳米管薄膜场效应晶体管。
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