TWI761771B - 場效應電晶體 - Google Patents

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TWI761771B TW109106118A TW109106118A TWI761771B TW I761771 B TWI761771 B TW I761771B TW 109106118 A TW109106118 A TW 109106118A TW 109106118 A TW109106118 A TW 109106118A TW I761771 B TWI761771 B TW I761771B
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范守善
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Abstract

本發明涉及一種場效應電晶體，其包括一閘極，該閘極的表面設置一絕緣層；一源極及一汲極間隔設置於所述絕緣層的表面並與所述閘極絕緣設置；一根奈米碳管設置於所述絕緣層上方，所述奈米碳管具有相對的第一端和第二端以及位於第一端和第二端之間的中間部，所述奈米碳管的第一端與所述源極接觸電連接，所述奈米碳管的第二端與所述汲極接觸電連接，且所述奈米碳管的中間部具有缺陷。本發明提供的場效應電晶體在高溫下能夠完全關斷，具有高開關比，且高溫開關比可大於103。

Description

場效應電晶體
本發明涉及一種場效應電晶體，尤其涉及一種單根奈米碳管的場效應電晶體。
製備可以在高溫環境下穩定工作的器件是高溫電子學的核心問題之一，目前通常採用的方法均是使用寬禁帶半導體例如氮化鎵、碳化矽等材料，不過由於寬禁帶半導體本身製備工藝上存在一系列難題，是以這極大地限制高溫電子學發展。
奈米碳管作為新一代半導體材料的有力競爭者之一，有著優異的電子學性能，並且已經被證明可以製造室溫場效應電晶體和柔性場效應電晶體，然而尚沒有研究其在高溫電子學應用的工作。且奈米碳管雖然在高溫下依舊保持著優異的電輸運性能，比如隨溫度基本不變的電阻率和高溫下較高的遷移率，然高溫下其開關比是較低的，並不適於在高溫環境中使用。
有鑑於此，確有必要提供一種在高溫環境中仍具有高開關比的場效應電晶體。
一種場效應電晶體，其包括一閘極，該閘極的表面設置一絕緣層； 一源極及一汲極間隔設置於所述絕緣層的表面並與所述閘極絕緣設置；一根奈米碳管設置於所述絕緣層上方，所述奈米碳管具有相對的第一端和第二端以及位於第一端和第二端之間的中間部，所述奈米碳管的第一端與所述源極接觸電連接，所述奈米碳管的第二端與所述汲極接觸電連接，且所述奈米碳管的中間部形成有缺陷。
與先前技術相比，本發明提供的場效應電晶體在高溫下能夠完全關斷，具有高開關比，且高溫開關比可大於103；而且，奈米碳管作為一維奈米材料，具有奈米級尺寸，可以進一步降低該場效應電晶體的尺寸。
10、20、30:場效應電晶體
101、201、301:閘極
102、202、302:絕緣層
103、203、303:源極
104、204、304:汲極
105、205、305:奈米碳管
1051、2051、3051:奈米碳管
1051、2051、3051:奈米碳管的第一端
1052、2052、3052:奈米碳管的第二端
1053、2053、3053:奈米碳管的中間部
2021:孔
3021:第一絕緣層
3022:第二絕緣層
圖1為本發明第一實施例所提供的場效應電晶體的結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例所提供的另一種場效應電晶體的結構示意圖。
圖3為本發明實施例所提供的製備場效應電晶體的工藝流程圖。
圖4為本發明第二實施例所提供的場效應電晶體的結構示意圖。
圖5為本發明第二實施例所提供的另一種場效應電晶體的結構示意圖。
圖6為本發明第三實施例所提供的場效應電晶體的結構示意圖。
圖7為本發明第三實施例所提供的另一種場效應電晶體的結構示意圖。
圖8為奈米碳管兩端的偏壓升高導致其開關比突然增加的結果圖。
圖9為中間部形成有缺陷的奈米碳管的瑞利照片。
圖10為中間部形成有缺陷的奈米碳管的轉移特性曲線。
圖11為未形成有缺陷的奈米碳管的能帶及在高溫下的轉移特性曲線。
圖12為形成有缺陷的奈米碳管的能帶及在高溫下的轉移特性曲線。
圖13為高開關比奈米碳管的工作原理圖。
以下將結合圖式及具體實施例詳細說明本技術方案所提供的場效應電晶體及其製備方法。
請一併參閱圖1，本發明第一實施例提供一種場效應電晶體10，其包括一源極103、一汲極104、一奈米碳管105、一絕緣層102及一閘極101。所述閘極101藉由所述絕緣層102與所述源極103、所述汲極104及所述奈米碳管105絕緣設置。所述源極103與所述汲極104間隔設置。所述奈米碳管105包括相對的第一端1051和第二端1052及位於所述第一端1051和第二端1052之間的中間部1053，所述奈米碳管的第一端1051與所述源極103連接，所述奈米碳管的第二端1052與所述汲極104連接，且所述奈米碳管的中間部1053具有缺陷。
具體地，所述閘極101可以為一自支撐的層狀結構，或者所述閘極101可以為一設置於一絕緣基板表面的薄膜。所述閘極101的厚度不限，優選為0.5奈米~100微米。所述閘極101的材料為可以為金屬、合金、重摻雜半導體(如矽)，銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導電銀膠、導電聚合物或導電性奈米碳管等，該金屬或合金材料可以為鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、金(Au)、鈦(Ti)、鈀(Ba)或任意組合的合金，優選的，所述閘極101的材料選擇耐高溫的材料。本實施例中，所述閘極101的材料為金屬鈀膜，厚度為50奈米。
所述絕緣層102設置在所述閘極101的表面。所述絕緣層102為一連續的層狀結構。所述絕緣層102起到絕緣支撐的作用。所述絕緣層102的材料為絕緣材料，其材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽片等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料，優選的，所述絕緣層102選擇耐高溫的材料。本實施例中，所述絕緣層102的材料為帶二氧化矽層的矽晶元片。
所述源極103和汲極104均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、金(Au)、鈦(Ti)、鈀(Ba)或任意組合的合金，優選的，所述源極103和汲極104選擇耐高溫的材料。所述源極103和所述汲極104亦可以為一層導電薄膜。本實施例中，所述源極103和汲極104分別為金屬鈦膜，該金屬鈦膜的厚度為50奈米。
所述奈米碳管105可以藉由自身的粘性固定於所述源極極103和所述汲極極104的表面。所述奈米碳管105亦可以藉由一導電粘結劑固定於所述源極極103和所述汲極極104的表面。
所述奈米碳管的中間部1053具有缺陷。可以採用多種方法在所述奈米碳管的中間部1053形成缺陷。具體地，可以在真空環境中給奈米碳管105的兩端施加電壓，使奈米碳管105通電產熱，由於所述奈米碳管105的兩端與外部電極接觸，從而奈米碳管兩端通電產生的熱量藉由外部電極而散播，是以所述奈米碳管的中間部1053的溫度高，兩端的溫度低，中間部的管壁上的碳元素高溫下氣化，所述奈米碳管105管壁上可能形成碳原子七元環、八元環等，從而在所述奈米碳管管壁上形成缺陷；亦可以使用鐳射或電磁波照射奈米碳管的中間部，使中間部的溫度升高而產生缺陷；亦可以使用等離子體蝕刻的方法在所述奈米碳管的中間部形成缺陷。所述奈米碳管105可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管，優選的，所述奈米碳管105為單壁奈米碳管或雙 壁奈米碳管。這主要是因為，對於多壁奈米碳管而言，由於其壁數多，導電通道亦多，想要在高溫下出現缺陷而不是完全燒斷的狀態，相對需要較高的溫度，製備較困難；而對於單壁或雙壁奈米碳管而言，導電通道較少，是以一旦高溫下產生缺陷，就會直接影響奈米碳管的電學性質。
所述絕緣層102、所述源極103、所述汲極104及所述奈米碳管105的位置關係可以如圖1所示，所述源極103、汲極104間隔設置在所述絕緣層102的表面，所述奈米碳管的第一端1051設置於所述源極103的表面，所述奈米碳管的第二端1052設置於所述汲極104的表面，即所述源極103、汲極104位於所述絕緣層102和所述奈米碳管105之間，所述奈米碳管105藉由所述第一電極103和所述第二電極104在所述絕緣層102上方懸空設置。在別的實施例中，所述絕緣層102、所述源極103、所述汲極104及所述奈米碳管105的位置關係亦可以如圖2所示，所述奈米碳管105直接貼合設置於所述絕緣層102的表面，所述源極103設置於所述奈米碳管的第一端1051，所述汲極104設置於所述奈米碳管的第二端1052，即所述奈米碳管的第一端1051由所述絕緣層102和所述源極103所夾持，所述奈米碳管的第二端1052由所述絕緣層102和所述汲極104所夾持。雖然所述奈米碳管的中間部1053可以懸空設置，亦可以由絕緣層102所承載而非懸空設置，然為避免在工作時，所述奈米碳管105通電產生的熱量對絕緣層102造成破壞，所述奈米碳管的中間部1053優選為懸空設置。
請參見圖3所示，本發明實施例還提供了一種所述場效應電晶體10的製備方法，其具體包括以下步驟：步驟一，提供一閘極101，在所述閘極101的表面形成一絕緣層102；步驟二，在所述絕緣層102遠離所述閘極101的表面形成間隔的源極103和汲極104； 步驟三，將一奈米碳管105轉移至所述源極103和汲極104上，所述奈米碳管105具有相對的第一端1051和第二端1052及位於第一端1051和第二端1052之間的中間部1053，使所述奈米碳管的第一端1051與所述源極103接觸電連接，所述奈米碳管的第二端1052與所述汲極104接觸電連接；步驟四，在所述奈米碳管的中間部1053形成缺陷。
可以理解地，在進行步驟1之前，可以先提供一絕緣基板，然後在所述絕緣基板上形成閘極101。所述形成閘極101、絕緣層102、源極103、汲極104的方法不限，可以為光刻、磁控濺射、蒸鍍等。
在步驟3中，所述奈米碳管105可藉由化學氣相沉積法，物理氣相沉積法製備獲得。本實施例中，根據“放風箏機理”，採用化學氣相沉積法生長超長奈米碳管，其具體包括提供一生長基底和一接收基底，所述生長基底表面形成有單分散型催化劑，然後通入碳源氣，生長出的奈米碳管沿氣流方向定向漂浮，最終落在接收基底表面；其具體生長方法請參見范守善等人於2008年2月1日申請的第200810066048.7號中國大陸專利申請(奈米碳管薄膜結構及其製備方法，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司)。為節省篇幅，在此不做詳細描述，但上述申請所有技術揭露亦應視為本發明申請技術揭露的一部分。
待製備得到奈米碳管後，可以直接將奈米碳管轉移至所述源極和汲極的表面；或者可以先去除一雙壁或多壁奈米碳管的外壁而獲得所述奈米碳管的內層，然後將所述奈米碳管的內層轉移至所述源極和汲極的表面，這樣所述奈米碳管的內層超級乾淨，有利於奈米碳管粘附在所述源極和所述汲極的表面。所述將奈米碳管105轉移至所述源極103和汲極104上的方法不限。本實施例中，所述轉移奈米碳管105的方法具體包括以下步驟：步驟31，使所述奈米碳管視覺化； 步驟32，提供兩根鎢針尖，將所述奈米碳管轉移至所述兩根鎢針尖之間；步驟33，藉由所述兩根鎢針尖，將所述奈米碳管轉移至目標位置。
具體地，在步驟31中，由於奈米碳管的直徑只有幾奈米或幾十奈米，奈米碳管在光學顯微鏡下無法觀察到，只有在掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等下才能觀察到。為便於在光學顯微鏡下操作，在所述奈米碳管的表面形成奈米顆粒，利用奈米顆粒對光的散射，使表面形成有奈米顆粒的奈米碳管可以在光學顯微鏡下被觀測到，其中，所述奈米顆粒的材料不限，可以是二氧化鈦(TiO2)奈米顆粒、硫(S)奈米顆粒等。
在步驟32中，提供兩根鎢針尖，在光學顯微鏡下，先使用其中一根鎢針尖輕輕接觸所述奈米碳管的一端，所述奈米碳管在范德華力的作用下會輕輕地粘附在該鎢針尖上，然後使針尖輕輕拖拽所述奈米碳管，所述奈米碳管的外壁在外力的作用下斷裂。由於奈米碳管的內層與外壁是超潤滑的，這樣可以抽出該奈米碳管的內層。藉由奈米碳管外壁上的奈米顆粒，可以大致推斷出內層的位置，當抽取的內層達到所需的長度時，使用另一根鎢針尖將所述奈米碳管的另一端劃斷，從而使所述奈米碳管轉移吸附至兩根鎢針尖之間。
在步驟33中，在光學顯微鏡下，輕輕移動兩根鎢針尖，所述奈米碳管隨兩根鎢針尖的移動而移動，使所述奈米碳管的一端設置於所述源極的表面並與源極接觸，使所述奈米碳管的另一端設置於所述汲極的表面並與所述汲極接觸。
同樣可以理解地，步驟2和步驟3的順序可以顛倒，即可以先將奈米碳管105轉移至所述絕緣層102的表面，使所述奈米碳管105與所述絕緣層102直接接觸，然後分別在所述奈米碳管的第一端1051和第二端1052形成源極103和汲極104。
在步驟4中，在所述奈米碳管的中間部1053形成缺陷的方法不限。具體地，可以是在所述奈米碳管的兩端施加電壓、採用鐳射或電磁波照射所述奈米碳管的中間部、採用等離子體蝕刻所述奈米碳管的中間部等。在上述方法中，所設定的參數，如施加電壓的大小、施加電壓的時間、鐳射功率、鐳射照射的時間等，並不是唯一確定的，其與所需要形成缺陷的奈米碳管的直徑、長度、壁數等有關。通常當採用單壁奈米碳管時，所施加的電壓的大小可以是1.5V~2.5V，當採用雙壁奈米碳管時，所施加的電壓的大小可以是2V~3V。
本實施例中，所述在奈米碳管的中間部1053形成缺陷的方法具體包括：給所述源極和汲極施加一偏壓，施加偏壓一段時間後，停止施加偏壓。
請參見圖4，本發明第二實施例提供一種場效應電晶體20，該場效應電晶體20包括一閘極201、一絕緣層201、一源極203、一汲極204及一奈米碳管205。本發明第二實施例所提供的場效應電晶體20與本發明第一實施例所提供的場效應電晶體10的結構基本相同，其區別在於，本發明第二實施例中，所述絕緣層202具有一孔2021，該孔可以為一通孔或盲孔，其中，該通孔沿所述絕緣層202的厚度方向貫穿所述絕緣層202。
所述絕緣層201、所述源極203、所述汲極204及所述奈米碳管205之間的位置關係可以如圖4所示，所述源極203、汲極204分別設置於所述絕緣層的孔2021的兩側，所述奈米碳管的第一端2051設置於所述源極203的表面，所述奈米碳管的第二端2052設置於所述汲極204的表面，所述奈米碳管的中間部2053在所述絕緣層的孔2021的位置懸空。在別的實施例中，上述四者之間的位置亦可以如圖5所示，所述奈米碳管205與所述絕緣層202直接接觸，所述奈米碳管205的兩端分別設置於所述孔2021的兩側，所述奈米碳管的中間部2053橫跨所述孔2021並懸空設置，所述奈米碳管的第一端2051設置於所述絕緣層 202和所述源極203之間，所述奈米碳管的第二端2052設置於所述絕緣層202和所述汲極204之間。
所述閘極201、所述絕緣層202、所述源極203及所述汲極204的材料分別與第一實施例中的閘極101、絕緣層102、源極103及汲極104的材料相同。
請參見圖6，本發明第三實施例提供一種場效應電晶體30，該場效應電晶體30包括一閘極301、一絕緣層302、一源極303、一汲極304及一奈米碳管305。本發明第三實施例所提供的場效應電晶體20與本發明第一實施例所提供的場效應電晶體10的結構基本相同，其區別在於，本發明第三實施例中，所述絕緣層302包括一第一絕緣層3021和一第二絕緣層3022，所述第一絕緣層3021和所述第二絕緣層3022間隔設置於所述閘極301的表面。
所述絕緣層302、所述源極303、所述汲極304及所述奈米碳管305之間的位置關係可以如圖6所示，所述源極303設置於所述第一絕緣層3021的表面，所述汲極304設置於所述第二絕緣層3022的表面，所述奈米碳管的第一端3051設置於所述源極303的表面，所述奈米碳管的第二端3051設置於所述汲極304的表面，所述奈米碳管的中間部3053懸空設置。在別的實施例中，上述四者的位置關係亦可以如圖7所示，所述奈米碳管的第一端3051設置於所述第一絕緣層3021的表面並被所述第一絕緣層3021和所述源極303夾持，所述奈米碳管的第二端3052設置於所述第二絕緣層3022的表面並被所述第二絕緣層3022和所述汲極304夾持，所述奈米碳管的中間部3053懸空設置。
所述閘極301、所述絕緣層302、所述源極303及所述汲極304的材料分別與第一實施例中的閘極101、絕緣層102、源極103及汲極104的材料相同。
如下所進行的測試實驗均使用本發明第三實施例所提供的場效應電晶體。
請參見圖8，將一根完好無缺陷的奈米碳管兩端的偏壓設置為1.9V、2.0V，所述奈米碳管自加熱產生高溫，然而此時高溫下該奈米碳管的開關比只有10。進一步將所述奈米碳管兩端的偏壓增加至2.1V，所述奈米碳管在閘極電壓接近0V時處於完全關斷的狀態，開關比增加到接近103。這是因為所述奈米碳管的中間部在偏壓為2.1V時自加熱產生缺陷，由此導致該奈米碳管的開關比突然增大。圖9為偏壓為2.1V時的奈米碳管的瑞利照片，由圖9可知，所述奈米碳管的中間部變細，且中間部的瑞利散射變弱，表明奈米碳管中間部形成缺陷。
在所述奈米碳管的中間部形成有缺陷後，將所述奈米碳管兩端的偏壓降低，其轉移特性曲線如圖10所示，從低偏壓0.1V到高偏壓的3.0V，奈米碳管均處於完全關斷的狀態，表明中間形成有缺陷的奈米碳管在高溫下具有高開關比。
請參見圖11，在偏壓為2.0V時，由於導帶上有電子分佈，奈米碳管無法關斷。請參見圖12，當偏壓升至2.2V時，所述奈米碳管中間部分由於溫度高，產生大量的缺陷，導致奈米碳管的中間部帶隙增大，而奈米碳管的兩端由於溫度不高，是以沒有發生變化，由此形成了一個中間帶隙大，兩邊帶隙小的結構。
請參見圖13，當閘極電壓為負時，費米麵位於奈米碳管價帶上，是以此時奈米碳管處於打開的狀態；當閘極電壓接近0V時，費米麵位於帶隙中間，由於奈米碳管中間有大量缺陷，帶隙大大增加，是以只有極少的電子分佈在導帶上，是以導電性差，奈米碳管被完全關斷；當閘極電壓為正時，費米麵位於奈米碳管導帶上，是以奈米碳管又處於打開狀態，變得完全導通。
另，選取四根奈米碳管，製備四個如第三實施例所述之場效應電晶體，並分別在該四根奈米碳管的中間部形成缺陷，將該四個場效應電晶體分別編號為1~4，在高溫下測量該四個場效應電晶體的開關比，結果如下表所示：
Figure 109106118-A0305-02-0013-1
由上表可知，表中四個高溫場效應電晶體，最高工作溫度可以到達1900 K，開關比可以大於103。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10:場效應電晶體
101:閘極
102:絕緣層
103:源極
104:汲極
105:奈米碳管
1051:奈米碳管
1051:奈米碳管的第一端
1052:奈米碳管的第二端
1053:奈米碳管的中間部

Claims (10)

  1. 一種場效應電晶體，其中，該場效應電晶體由一閘極、一源極、一汲極以及一單根奈米碳管組成：該閘極的表面設置一絕緣層；該源極及汲極間隔設置於所述絕緣層的表面並與所述閘極絕緣設置；該單根奈米碳管設置於所述絕緣層上方，所述奈米碳管具有相對的第一端和第二端以及位於第一端和第二端之間的中間部，所述奈米碳管的第一端與所述源極接觸電連接，所述奈米碳管的第二端與所述汲極接觸電連接，且所述奈米碳管的中間部具有缺陷，該缺陷是由奈米碳管中間部的管壁受到破壞形成的結構缺陷。
  2. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述奈米碳管為單壁奈米碳管或雙壁奈米碳管。
  3. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述奈米碳管的中間部包括碳原子七元環或八元環。
  4. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述奈米碳管的第一端設置於所述源極的表面，所述奈米碳管的第二端設置於所述汲極的表面，該奈米碳管藉由所述源極和所述汲極懸空設置於所述絕緣層的上方。
  5. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述奈米碳管貼合設置於所述絕緣層的表面，所述源極設置於所述奈米碳管的第一端，所述汲極設置於所述奈米碳管的第二端。
  6. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述絕緣層具有一通孔或盲孔。
  7. 如請求項6所述之場效應電晶體，其中，所述源極和所述汲極分別設置於所述通孔或盲孔的兩側，所述奈米碳管在所述通孔或盲孔的上方懸空設置。
  8. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述絕緣層包括一第一絕緣層和一第二絕緣層，所述第一絕緣層和所述第二絕緣層間隔設置於所述閘極的表面。
  9. 如請求項8所述之場效應電晶體，其中，所述源極設置於所述第一絕緣層的表面，所述汲極設置於所述第二絕緣層的表面，所述奈米碳管在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層的上方懸空設置。
  10. 如請求項1所述之場效應電晶體，其中，所述奈米碳管為由一雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管去掉外壁而獲得。
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