TWI803416B - 場效應電晶體的接觸電阻的測量方法 - Google Patents

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Abstract

一種場效應電晶體，其包括一閘極、一絕緣層、一源極、一汲極和一通道層，所述絕緣層位於所述閘極的表面，所述通道層位於所述絕緣層遠離所述閘極的表面，所述源極和所述汲極間隔設置在所述通道層遠離所述絕緣層的表面；所述源極和汲極為一維結構。本發明進一步提供一種所述場效應電晶體的製備方法及所述場效應電晶體的接觸電阻的測量方法。

Description

場效應電晶體的接觸電阻的測量方法
本發明涉及一種場效應電晶體的接觸電阻的測量方法。
電晶體的極致微縮係積體電路產業的不懈追求。縮小通道長度和接觸長度對於減小整體器件的尺寸係必要的。二維半導體在縮減通道長度方面顯示出巨大的潛力，這係由於二維半導體超薄的原子結構有效抑制了短通道效應。故，可以使用二維半導體開發具有較短閘極長度的場效應電晶體(FET)。縮短接觸長度會引起接觸電阻的增加，也會導致接觸材料自身導電能力惡化。對於先前的三維金屬，接觸長度縮減至10nm以下時，金屬線會出現嚴重的晶疇化現象，電阻率顯著提升；對於石墨烯等二維半金屬，接觸長度縮減至10nm以下會導致額外的量子化和嚴重的邊緣散射。這些限制都會使得場效應電晶體的接觸性能變差。故，高性能二維場效應電晶體實現超短接觸長度和低接觸電阻仍然係一個巨大的挑戰。並且對超短接觸長度和低接觸電阻的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法也係一個巨大的挑戰。
有鑒於此，提供一種超短接觸長度和低接觸電阻的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法實為必要。
一種場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其包括以下步驟：
提供一場效應電晶體，其包括一閘極、一絕緣層、一源極、一汲極和一通道層，所述絕緣層位於所述閘極的表面，所述通道層位於所述絕緣層遠離所述閘極的表面，所述源極和所述汲極間隔設置在所述通道層遠離所述絕緣層的表面；所述源極和所述汲極均為一根金屬性單壁奈米碳管，所述通道層的材料為二硫化鉬，所述金屬性單壁奈米碳管和所述通道層上分別設置複數個電極；所述絕緣層為二氧化矽；
提供一公式I：
Figure 02_image001
，其中，R tot係兩個金屬性單壁奈米碳管之間的電阻，
Figure 02_image003
係金屬性單壁奈米碳管與所述電極的介面接觸電阻，RCNT Q係金屬性SWCNT的量子電阻，
Figure 02_image011
係在二氧化矽上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率，
Figure 02_image013
係所述電極至所述通道層的距離，
Figure 02_image015
，r c為所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率，D CNT係所述金屬性單壁奈米碳管的直徑，ρ2D TMD係所述通道層的方塊電阻，L係所述源極和所述汲極之間通道層的長度，
Figure 02_image019
，ρon MoS 2CNT係在所述二硫化鉬上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率，W係所述通道層的寬度，
Figure 02_image023
；由所述公式I計算得到所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率r c；及
所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻R c滿足公式R c= r c/lc，其中，l C代表金屬性單壁奈米碳管的直徑，從而得到所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻。
進一步，形成所述場效應電晶體的偽色掃描電子顯微鏡照片，所述偽色掃描電子顯微鏡照片中，第一條線代表作為源極的金屬性單壁奈米碳管，第二條線代表作為汲極的金屬性單壁奈米碳管，在第一條線上定義A點，在第二條線上定義B點，A點和B點上均設置所述電極，並且A點和B點的連線平行於所述通道層的長度方向。
進一步，R tot係所述A點和B點兩點處電極之間的電阻。
進一步，基於轉移長度方法分別得到在二氧化矽上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率
Figure 02_image011
、在二硫化鉬上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率ρon MoS 2CNT
Figure 02_image027
，及金屬性單壁奈米碳管與所述電極的介面接觸電阻RCNT nc 。
進一步，通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量所述電極至所述通道層的長度L in、所述金屬性單壁奈米碳管的直徑
Figure 02_image029
、所述源極和所述汲極之間通道層的長度L和寬度W。
進一步，通過一電源表測量得到所述兩個金屬性單壁奈米碳管之間的電阻R tot。進一步，基於四探針法得到所述通道層的方塊電阻
Figure 02_image031
。
進一步，所述
Figure 02_image007
。進一步，所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率r c為10 -6Ω·cm 2，所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻為50 kΩ·µm。
進一步，所述汲極與所述通道層介面電阻的測量方法，與所述源極與通道層介面電阻的測量方法相同。
與先前技術相比，本發明在二維半導體上設置兩個具有相同手性的SWCNT來實現一維半金屬接觸，成功地將所述場效應電晶體的接觸長度減少到2 nm，從而使得所述場效應電晶體具有超短接觸長度；本發明提出了“縱向傳輸線模型”，給出極短金屬性SWCNT接觸的場效應電晶體的二端電阻。在此基礎上再結合四探針方法和轉移長度方法提取相關位置參量，可以計算得到場效應電晶體的接觸電阻，也即場效應電晶體中源極（或者汲極）與通道層之間的介面電阻；而且，在歐姆接觸模式下，金屬性SWCNT和通道層之間介面接觸的電阻率（即接觸電阻率）和接觸電阻分別為10 -6Ω·cm 2和50 kΩ·µm，故所述場效應電晶體具有較低的接觸電阻。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法作進一步的詳細說明。
請參見圖1，本發明第一實施例提供一種場效應電晶體100，該場效應電晶體100包括一閘極102、一絕緣層104、一源極108、一汲極110和一通道層106。所述絕緣層104位於所述閘極102的表面，所述通道層106位於所述絕緣層104遠離所述閘極102的表面。所述源極108和所述汲極110間隔設置在所述通道層106遠離所述絕緣層104的表面。
所述閘極102的材料具有較好的導電性。具體地，所述閘極102的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物及奈米碳管膜等導電材料。所述金屬或合金可以為鋁、銅、鎢、鉬、金或它們的合金。具體地，所述閘極102的厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，所述閘極102為高摻雜的矽（矽被高摻雜，導電）。
所述絕緣層104的材料可以為氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。根據絕緣層104的材料種類的不同，可以採用不同方法形成該絕緣層104。具體地，當該絕緣層104的材料為氮化矽或氧化矽時，可以通過沈積的方法形成絕緣層104。當該絕緣層104的材料為苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂時，可以通過印刷塗附的方法形成絕緣層104。所述絕緣層104的厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，所述高摻雜的矽片的表面具有300 nm（奈米）厚的氧化層，該氧化層的材料為SiO 2（二氧化矽），該氧化層為所述絕緣層104。
所述通道層106為半導體二維結構，比如二硫化鉬（MoS 2）膜、二硫化鎢（WS 2）膜或者二硒化鎢（WSe 2）膜等二維半導體材料。
所述源極108和汲極110的材料應具有較好的導電性，並且所述源極108和汲極110為一維結構。具體地，所述源極108和汲極110的材料可以為金屬、合金、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物及金屬性奈米碳管等導電材料。具體地，當所述源極108和汲極110的材料為金屬、合金、ITO或ATO時，可以通過濺鍍、濺射、沈積、掩模及蝕刻等方法形成源極108及汲極110。當所述源極108及汲極110的材料為導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管時，可以通過印刷塗附或直接黏附的方法，將該導電銀膠或奈米碳管塗附或黏附於所述絕緣層104遠離所述閘極102的表面，形成源極108及汲極110。所述源極108和汲極110的厚度為0.5奈米~100微米，所述源極108至所述汲極110之間間隔的距離為10奈米至800奈米。本實施例中，所述源極108和汲極110均為一個單根金屬性單壁奈米碳管（SWCNT），所述源極108至所述汲極110之間的距離為150奈米。
進一步，所述場效應電晶體100還可以包括一絕緣基底，該絕緣基底對所述閘極102起支撐作用，也即所述絕緣層104位於所述閘極102遠離所述絕緣基底的表面。所述絕緣基底的材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽片等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料。在一具體實施例中，所述絕緣基底的材料為玻璃。所述絕緣基底也可選用大型積體電路中的基板，且複數個背柵型場效應電晶體100可按照預定規律或圖形集成於同一絕緣基底上。
進一步，所述場效應電晶體100包括複數個電極，該複數個電極分別設置在所述通道層106、所述源極108和汲極110上。所述複數個電極間隔設置，並且相鄰電極之間的距離不相等。所述電極均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。所述電極也可以為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為0.01微米-10微米。本實施例中，所述電極為Au/Ti（金/鈦，厚度50nm/5nm）電極，該Au/Ti電極係由一50nm厚的金層和一5nm厚的鈦層層疊設置而成，Au層設置在Ti層的上表面，Ti層做黏附層，Au層做導電層。可以通過濺鍍、濺射、沈積、掩模、蝕刻、印刷塗附或直接黏附的方法設置所述電極。
請參見圖2，本發明第一實施例進一步提供一種所述場效應電晶體100的製備方法，其包括以下步驟：
S1，形成所述絕緣層104於所述閘極102的表面；
S2，形成所述通道層106於所述絕緣層104遠離所述閘極102的表面；
S3，將兩個導電的一維結構間隔設置在所述通道層106遠離所述絕緣層104的表面；及
S4，在所述一維結構上設置複數個電極，在所述通道層106上設置複數個電極，所述複數個電極間隔設置，並且相鄰電極之間的距離不相等。
進一步，所述場效應電晶體100的製備方法還可以包括將所述閘極102設置在所述絕緣基底上的步驟。所述絕緣基底可選用大型積體電路中的基板。
步驟S1中，可以採用濺射、濺鍍、直接鋪設等方式，在所述閘極102的表面形成所述絕緣層104。
步驟S2中，可以採用濺射、濺鍍、直接鋪設等方式，在所述絕緣層104遠離所述閘極102的表面形成所述通道層106。在一具體實施例中，將所述二維半導體材料直接鋪設於所述絕緣層104遠離所述閘極102的表面。
步驟S3中，所述導電的一維結構分別作為所述源極108和所述汲極110。所述導電的一維結構的材料與第一實施例中描述的源極108和汲極110的材料相同，這裡不再重複描述。
在一具體實施例中，所述導電的一維結構為單根金屬性SWCNT，該單根金屬性SWCNT的製備方法，包括以下步驟：
S31，生長CNT（奈米碳管）；
S32，將所述CNT設置在硫蒸汽中，硫蒸汽在所述CNT上形成硫顆粒，硫顆粒分佈越稀疏，表明CNT的直徑越小，從而從所述CNT中選出SWCNT；
S33，判斷所選出的SWCNT的導電率，從而選出所述金屬性SWCNT；及
S34，退火處理，以除去CNT上的硫顆粒。
步驟S31中，生長CNT的方法不限，比如化學氣相沈積法等。以下僅以“放風箏法”為例詳細說明從一生長基底上水準生長CNT的過程，但並不局限於此。
請參見圖3，利用“放風箏法”生長CNT的方法，包括以下步驟：
S311，提供一生長裝置30；
S312，提供一生長基底316及一基體10，該生長基底316表面形成有一單分散性催化劑層318；
S313中，將所述生長基底316放置於該固定平臺310上，將所述基體10放置於該旋轉平臺312上；
S314，通入碳源氣，沿著氣流的方向生長CNT；及
S315，停止通入碳源氣，CNT平行且間隔地形成在基體10表面。
步驟S311中，所述生長裝置30包括一加熱爐302，一反應室304，一可旋轉平臺312及一與旋轉平臺312對應設置的固定平臺310。所述可旋轉平臺312與所述固定平臺310間隔設置於該反應室304內。該反應室304包括一進氣口306與一出氣口308，所述固定平臺310設置於靠近進氣口306一邊，所述旋轉平臺312設置於靠近出氣口308一邊。所述旋轉平臺312與固定平臺310之間的間距小於1釐米，且旋轉平臺312略低於固定平臺310。所述旋轉平臺312可以在水準方向旋轉任意角度。
步驟S312中，當選用鐵、鈷、鎳或其任意組合的合金材料製備單分散性催化劑層318時，可採用薄膜技術將催化劑材料沈積到生長基底316的表面。當選用金屬鹽製備單分散性催化劑層318時，將金屬鹽的單分散性溶液或者金屬的單分散性溶液塗覆於生長基底316上形成單分散性催化劑層318。本實施例中，作為催化劑材料的金屬鹽的單分散性溶液優選為硝酸鐵（Fe(NO 3) 3）、氯化銅（CuCl 2）或三氯化鐵（FeCl 3）的單分散性水溶液或單分散性乙醇溶液，作為催化劑材料的金屬的單分散性溶液優選為鐵/鉬（Fe-Mo）、鐵/鈷（Fe-Co）或鐵/釕(Fe-Ru)的正辛烷單分散型溶液、乙醇或正己烷單分散性溶液。採用單分散性溶液製備催化劑層318，有利於防止催化劑材料團聚，形成單分散性催化劑層318，即，催化劑層318中包括複數個單分散性催化劑顆粒。
步驟S313中，將所述生長基底316放置於該固定平臺310上，確保生長基底316沈積有催化劑層318的一面朝上。所述生長基底316與基體10為一耐高溫基板，其材料不限，只要確保其熔點高於所述奈米碳管的生長溫度。本實施例中，生長基底316優選為一長度為10釐米，寬度為0.5毫米的條形矽片。可以理解，本實施例中可以先將催化劑材料沈積於一大面積的矽片表面，再將該矽片切割成複數個預定大小的生長基底316。
步驟S314中，通入碳源氣，沿著氣流的方向生長CNT的具體過程為：
首先，通入保護氣體，將反應室304內的空氣排出。所述的保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。
其次，在保護氣體環境下對反應室304進行加熱到CNT的生長溫度，並保持恒溫。所述CNT的生長溫度為800℃至1000℃。可以理解，根據不同的碳源氣，CNT的生長溫度不同。本實施例中，採用乙醇作為碳源氣時，CNT的生長溫度優選為850℃至950℃。採用甲烷作為碳源氣時，CNT的生長溫度優選為950℃至1000℃。
再次，通入碳源氣，生長CNT。所述碳源氣可選用乙醇、乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙醇或甲烷。通入碳源氣的流量為5 sccm（標準狀態毫升/分鐘）至100sccm。碳源氣中混合一定量的氫氣作為載氣，且碳源氣與載氣的流量比為1:1至1:3。
當通入碳源氣後，在生長基底316表面催化劑顆粒的作用下開始生長CNT。CNT一端固定於生長基底316上，另一端不斷生長。由於催化劑層318包括複數個單分散性催化劑顆粒，故生長的CNT不會很密，從而使得部分CNT可以長成為SWCNT。由於固定平臺310上的生長基底316靠近於反應室304的進氣口306設置，故隨著碳源氣的不斷通入，生長的CNT隨著碳源氣漂浮於基體10上空。該生長機理稱作“放風箏機理”。 CNT的生長時間與所要製備的CNT有關。本實施例中，優選地，生長時間為10分鐘。該方法生長的CNT長度大於1釐米，甚至可以達到30釐米以上。
步驟S315中，停止通入碳源氣後，CNT停止生長。同時停止加熱，並降溫。然，要繼續通入保護氣體，直到反應室304溫度降為室溫，以防止生長的CNT被氧化。當停止通入碳源氣，CNT停止生長，平行且間隔的形成於基體10上，且相鄰兩個CNT之間的距離大於20微米。為了利於從所述基體10上取下CNT，可以預先將基體10蝕刻複數個間隔設置的溝槽，當所述CNT落在基體10上時，CNT懸空在所述溝槽上，如圖4所示。在一具體實施例中，所述基體10的材料由矽和氮化矽組成。
步驟S32中，本實施例中，硫粉加熱到 150°C 形成硫蒸汽，然後將步驟S11中放置有CNT的基體10放入硫蒸汽中處理一段時間，CNT的外表面會形成許多硫顆粒，也即硫顆粒分佈在CNT的外表面。CNT上硫蒸氣的凝聚形態取決於CNT的直徑，硫顆粒分佈越稀疏表明CNT的直徑越小。在光學顯微鏡下選擇硫顆粒分佈最稀疏的CNT，該CNT即為單壁奈米碳管（SWCNT）。
步驟S33中，通過檢測SWCNT的電導率來選出金屬性SWCNT。具體的，在1V（伏特）電壓下，SWCNT的電流大於等於1nA（納安）時，則該SWCNT為金屬性SWCNT。
步驟S34中，退火溫度為300℃至400℃，以除去CNT上的硫顆粒。優選的，退火溫度為300℃至350℃。
以下用一具體實施例來說明所述場效應電晶體100的製備方法，但並不局限於此。
第一步、將MoS 2膜（作為通道層106）放置到所述高摻雜的矽片（作為閘極102）上，所述高摻雜的矽片的表面具有300 nm厚的SiO 2（作為絕緣層104），該SiO 2位於MoS 2膜與高摻雜的矽片之間。
第二步、採用化學氣相沈積法利用“放風箏法”生長超長CNT：將 0.2 nm 鐵電子束沈積到矽襯底上然後，將反應爐的溫度設置為 970℃，分別選擇流量為 200 sccm 和 1 sccm 的 H 2和 C 2H 4作為還原氣體和碳源，用以生長 CNT。用於收集懸浮生長的CNT的基體10為Si/SiNx 襯底，該Si/SiNx 襯底具有七個 200 微米寬的溝槽。
第三步、金屬性SWCNT的選擇：硫粉通過熱板加熱到 150°C 進行蒸發，然後將放置在溝槽 Si/SiN 襯底上的超長 CNT 在硫氣氛中處理 10 秒。硫蒸汽沈積在CNT表面形成硫顆粒，利用光學顯微鏡進行有效跟蹤。CNT上硫蒸氣的凝聚形態取決於CNT的直徑，硫顆粒分佈越稀疏表明CNT的直徑越小。在光學顯微鏡下選擇硫顆粒分佈最稀疏的CNT，該CNT即為單壁奈米碳管（SWCNT），然後連接電源表（比如連接Keithley 2900高精度源表的鎢尖端），用於判斷SWCNT的電導率。在1V電壓下，電流大於等於1納安，那麼該SWCNT為金屬性，也稱為金屬性SWCNT。
第四步、將第三步選擇出來的兩個金屬性SWCNT間隔設置在所述MoS 2膜遠離高摻雜的矽片的表面。
第五步、進行退火處理，退火溫度為350℃，以除去金屬性CNT表面的硫顆粒。
第六步、通過電子束光刻、電子束蒸發和剝離步驟製造了圖案化的 Ti/Au (5nm/50nm)電極，Ti/Au (5nm/50nm)電極為鈦和金的複合結構，具體地，Au在Ti的表面複合而成，Ti的厚度為5 nm，Au的厚度為50 nm。所述Ti/Au (5nm/50nm)電極分別設置在所述MoS 2膜相對的兩端，及所述金屬性SWCNT相對的兩端。
以下對該具體實施例所製備的場效應電晶體100進行性能表徵。
圖5為源極108和汲極110設置在通道層106上形成的整體的橫截面的透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy, TEM）照片。圖6為源極108和汲極110設置在通道層106上形成的整體的電子能量損失譜（electron energy loss spectroscopy, EELS）。由圖5可以看到一個分層結構，下層為MoS 2膜，上層為金屬性SWCNT，從而證明通道層106為MoS 2膜，源極108和汲極110均為金屬性SWCNT。由圖6可以得知，源極108和汲極110設置在通道層106上形成的整體包含碳（C）、Mo（鉬）、氧（O）三種元素，也可以進一步證明通道層106為MoS 2膜，源極108和汲極110均為金屬性SWCNT。
圖7為源極108和汲極110設置在通道層106上形成的整體的拉曼光譜圖。由圖7可以得知，所述源極108、汲極110的拉曼光譜中出現典型的SWCNT的峰，說明所述源極108和汲極110為相同手性的SWCNT；所述通道層106出現典型的MoS 2的峰，說明所述通道層106的材料為MoS 2。
圖8為所述場效應電晶體100的偽色掃描電子顯微鏡（false-colored scanning electron microscope，false-colored SEM）照片。圖8中，亮色帶狀體代表設置在通道層106、源極108和汲極110上的電極。對圖8中兩個金屬性SWCNT之間進行轉移特性（也即圖8中A、B兩點之間的轉移特性）測試，及對圖8中Au/Ti電極之間進行轉移特性（也即圖8中1、2兩點之間的轉移特性）測試。圖9為圖8中A、B兩點之間的轉移特性。由圖9可以得知，具有2 nm 接觸長度的金屬性SWCNT接觸比3微米長的Au/Ti電極接觸有更大的開態電流，其中，所述2 nm接觸長度指金屬性SWCNT的直徑為2 nm，也即所述接觸長度為金屬性SWCNT的直徑。圖10為圖8中金屬性SWCNT和MoS 2介面、Au/Ti電極和MoS 2介面，在不同閘極電壓下的勢壘高度。由圖10可以得知，SWCNT與MoS 2膜之間的介面勢壘在更大範圍（550 meV至0）內可調，其中，meV係兆電子伏特。
圖 11 為圖 8 中 A、B 兩點之間的金屬性SWCNT接觸與 1、2 兩點之間的Au/Ti接觸的能帶圖對照。由圖 11 可以得知，所述場效應電晶體 100 可以在柵電壓的作用下實現在肖特基接觸和歐姆接觸之間的切換。
圖12為所述場效應電晶體100中金屬性SWCNT與MoS 2膜的介面接觸電阻率-閘極電壓圖。由圖12可以得知，金屬性SWCNT與MoS 2膜的歐姆接觸電阻率可低至10 -6Ω·cm 2。
與先前技術相比，所述場效應電晶體100及其製備方法具有以下優點：第一、本發明在二維半導體上設置兩個具有相同手性的SWCNT來提出一維半金屬接觸，成功地將所述場效應電晶體100的接觸長度減少到2 nm，從而使得所述場效應電晶體100具有超短接觸長度；第二、所述場效應電晶體100可以通過調節閘極102電位在肖特基接觸和歐姆接觸之間切換；第三、在歐姆接觸模式下，SWCNT和通道層106之間介面接觸的電阻率和接觸電阻分別為10 -6Ω·cm 2和50 kΩ·µm，故所述場效應電晶體100具有較低的接觸電阻。
本發明第二實施例提供一種場效應電晶體100的接觸電阻的測量方法，也即場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106介面電阻的測量方法，其包括以下步驟：
S21，提供所述場效應電晶體100，其中，所述源極108和汲極110分別為所述金屬性SWCNT，所述通道層106為二硫化鉬（MoS 2）膜、二硫化鎢（WS 2）膜或者二硒化鎢（WSe 2）膜等二維半導體材料；在所述單根金屬性SWCNT及通道層106上分別設置複數個Au/Ti電極；
S22，形成所述場效應電晶體100的偽色掃描電子顯微鏡（false-colored scanning electron microscope，false-colored SEM）照片，如圖8所示；圖8中，亮色帶狀A至I和1至4都表示所述Au/Ti電極，虛線框區域b表示所述通道層106，圖8中兩條平行排列的白色亮線a、a’表示所述金屬性SWCNT，圖8中A至I可以理解為電極A至電極I，也可以理解為A點至I點處設置所述Au/Ti電極；1至4可以理解為電極1至電極4（也可以分別用第一電極、第二電極、第三電極和第四電極表示），也可以理解為1點至4點處設置所述Au/Ti電極；
S23，基於轉移長度方法分別得到在二氧化矽（所述高摻雜的矽片的表面具有一層二氧化矽）上的金屬性SWCNT的電阻率
Figure 02_image011
(Ω·µm -1)、在MoS 2膜上的金屬性SWCNT的電阻率ρon MoS 2CNT(Ω·µm -1)，及金屬性SWCNT與Ti/Au電極介面接觸電阻RCNT nc (Ω)；
S24，基於四探針法得到所述通道層106的方塊電阻
Figure 02_image031
(Ω·☐ -1)；
S25，通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量Ti/Au電極至通道層106邊緣的長度（本實施例中，圖8中A點處Ti/Au電極至通道層106下邊緣的長度）L in、所述金屬性SWCNT的直徑
Figure 02_image029
、源極108和汲極110之間通道層106的長L和寬W (µm)；
S26，將以上測量結果帶入公式I，
Figure 02_image001
，
其中，R tot係所述兩個金屬性SWCNT（分別作為源極108和汲極110）上分別設置電極，這兩個電極之間的電阻，其中，這兩個電極的連線平行於所述通道層106的長度方向（也即，R tot係圖8中A、B兩點處電極之間的電阻），通過電源表（比如Keithley 2912高精度源表）測量可以直接得到R tot；
Figure 02_image003
係金屬性SWCNT與Ti/Au電極的介面接觸電阻，可以通過轉移長度方法得到；
Figure 02_image007
，這係金屬性SWCNT的量子電阻；
Figure 02_image011
係在二氧化矽上的金屬性SWCNT的電阻率，可以通過轉移長度方法得到；L in係Ti/Au電極至通道層106的距離（即圖8中A點處Ti/Au電極至通道層106下邊緣的長度），可以通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量得到；
Figure 02_image034
，r c為金屬性SWCNT與通道層106的介面接觸電阻率，D CNT係所述金屬性SWCNT的直徑，ρ2D TMD係所述通道層106的方塊電阻（可以通過四探針法得到），L係源極108和汲極110之間通道層106的長度（可以通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量得到）；
Figure 02_image019
，ρon MoS 2CNT係在MoS 2膜上的金屬性SWCNT的電阻率（可以通過轉移長度方法得到）；W係通道層106的寬度（可以通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量得到）；
Figure 02_image036
；
所述公式I中，r c為未知數，其餘數值均可以通過步驟S23至S25得到，從而最終計算得到SWCNT與通道層106的介面接觸電阻率
Figure 02_image038
(Ω·µm 2)；及
S27，金屬性SWCNT與通道層106的接觸電阻R c滿足公式R c= r c/lc (Ω·µm)，其中，l C代表金屬性SWCNT的直徑，從而得到金屬性SWCNT與通道層106的接觸電阻R c。金屬性SWCNT與通道層106的接觸電阻就係場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106的介面電阻。
步驟S23中，本實施例中，ρon sio2 CNT指與二氧化矽直接接觸的金屬性SWCNT的電阻率，ρon MoS 2CNT指與MoS 2膜直接接觸的金屬性SWCNT的電阻率。
轉移長度方法係通過對具有不同通道長的器件的電阻進行線性擬合，從而獲得器件的通道電阻及電極與通道之間的接觸電阻。對於長通道CNT電晶體來說，源極108和汲極110之間的總電阻可以表示為: R CNT=ρon sio2 CNTL+2RCNT nc+RCNT Q，
其中，ρon sio2 CNT表示與二氧化矽直接接觸的金屬性SWCNT的電阻率，L表示源極108和汲極110之間通道層106的長度，RCNT nc表示Au/Ti電極與金屬性SWCNT介面由於結構缺陷導致的接觸電阻，RCNT Q表示金屬性SWCNT的量子電阻，RCNT Q=6.5 kΩ。
步驟S23中，測量多組CNT器件（該CNT器件分別為電極EF，電極DE，電極CD，電極AG，電極GH，電極HI組成的器件）的轉移特性曲線。圖13係通過轉移長度方法分析所述多組CNT器件的結果，橫軸為器件的通道長度，縱軸為器件的電阻，不同顏色的點和直線表示器件在不同柵壓下的測量結果。擬合直線的斜率表示
Figure 02_image046
，與縱軸（x=0）的截距表示2RCNT nc+RCNT Q。
基於轉移長度方法得到SiO 2上金屬型SWCNT的電阻率
Figure 02_image046
(Ω·µm -1)，金屬Au/Ti與金屬型SWCNT的接觸電阻
Figure 02_image003
。這裡認為金屬型SWCNT和每個Au/Ti電極之間的接觸電阻相同。測量電極AC之間的轉移特性曲線，將Au/Ti與金屬型SWCNT的接觸電阻、金屬型SWCNT的量子電阻及SiO 2上金屬型SWCNT的電阻減去，即可得到二硫化鉬上金屬型SWCNT的電阻，再除以MoS 2上金屬型SWCNT的長度，得到ρon MoS 2CNT(Ω·µm -1)。
步驟S24中，四探針法係測量薄膜方塊電阻的常用方法。如圖8中的電極1、電極2、電極3、電極4，在電極1和電極4上施加恒定電流I 14，然後讀取電極2和電極3之間的電壓V 23，這樣電極2和電極3之間二維材料（本實施例為二硫化鉬）的通道電阻可以表示為R 23=V 23/I 12。對應的方塊電阻ρ2D TMD=R 23W/L。
圖14為用於測量所述場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106之間介面電阻的縱向傳輸線模型。由圖14可以得知，當場效應電晶體100採用超短接觸時，考慮接觸材料的自身電阻和接觸電阻，通道層中的電勢和電流分佈可能不均勻。縱向傳輸線模型對該情況進行了建模分析，給出了電勢電流分佈不均勻情況下的場效應電晶體100的等效電阻的解析運算式，也即所述步驟S26中的公式I。
故，通過上述場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106介面電阻的測量方法，可以得到源極108與通道層106的介面電阻，汲極110與通道層106的介面電阻。由於上述方法中源極108和汲極110均使用金屬性SWCNT，故可以得到金屬性SWCNT與通道層106的介面電阻。
以下用一具體實施例來說明所述場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106之間介面電阻的測量方法，但並不局限於此。
本具體實施例中，實驗測得的
Figure 02_image046
，RCNT nc，ρon MoS 2CNT和ρ2D TMD如圖15和16所示。結合圖17中原子力顯微鏡（AFM）對各個特徵長度的測量結果，可以根據公式I計算得到金屬性SWCNT和MoS 2的介面接觸電阻率r c=10 -6Ω·cm 2，如圖12所示。故，金屬性SWCNT和MoS 2之間的接觸電阻R c=r c/D CNT= 50 kΩ·μm。
所述場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106之間介面電阻的測量方法具有以下優點：在場效應電晶體100採用極短SWCNT接觸的情況下，接觸和互聯部分的電阻不可忽略，通道層106中的電勢、電流呈現不均勻分佈的趨勢，先前的四探針方法和轉移長度方法並不適用於該情況下的源極108（或者汲極110）與通道層106之間介面電阻（即接觸電阻）的測量提取。故，本發明提出了“縱向傳輸線模型”，給出極短SWCNT接觸的場效應電晶體100的二端電阻（也即圖8中A點處電極和B點處電極之間的電阻）。在此基礎上再結合四探針方法和轉移長度方法提取相關位置參量，可以計算得到場效應電晶體100的接觸電阻，也即場效應電晶體100中源極108（或者汲極110）與通道層106之間介面電阻。
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。
100:場效應電晶體 102:閘極 104:絕緣層 106:通道層 108:源極 110:汲極 30:生長裝置 302:加熱爐 304:反應室 306:進氣口 308:出氣口 310:固定平臺 312:旋轉平臺 316:生長基底 318:催化劑層 10:基體
圖1為本發明提供的場效應電晶體的結構示意圖。
圖2為本發明提供的場效應電晶體的製備方法的流程圖。
圖3為本發明提供的奈米碳管的製備裝置的結構示意圖。
圖4為本發明提供的奈米碳管水準落在具有複數個溝槽的基體上的結構示意圖。
圖5為本發明提供的源極和汲極設置在通道層上形成的整體的橫截面的透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy, TEM）照片。
圖6為本發明提供的源極和汲極設置在通道層上形成的整體的電子能量損失譜（electron energy loss spectroscopy, EELS）。
圖7為本發明提供的源極和汲極設置在通道層上形成的整體的拉曼光譜圖。
圖8為本發明提供的所述場效應電晶體的偽色掃描電子顯微鏡（false-colored scanning electron microscope，false-colored SEM）照片。
圖9為圖8中A、B兩點之間的轉移特性。
圖10為圖8中金屬性SWCNT和MoS 2介面及Au/Ti電極和MoS 2介面在不同閘極電壓下的勢壘高度。
圖11為圖8中A、B兩點之間的接觸與1、2兩點之間的接觸的能帶圖。
圖12為圖1中所述場效應電晶體中金屬性SWCNT與MoS 2膜的介面接觸電阻率-閘極電壓圖。
圖13係通過轉移長度方法分析多組CNT器件的結果。
圖14為用於測量圖1中所述場效應電晶體中源極、汲極與通道層之間介面電阻的縱向傳輸線模型。
圖15為在二氧化矽上的金屬性SWCNT，及在MoS 2膜上的金屬性SWCNT的電阻率-電壓曲線。
圖16為MoS 2膜的方塊電阻-電壓曲線。
圖17為採用原子力顯微鏡對各個特徵長度的測量結果。
無

Claims (10)

  1. 一種場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其包括以下步驟： 提供一場效應電晶體，其包括一閘極、一絕緣層、一源極、一汲極和一通道層，所述絕緣層位於所述閘極的表面，所述通道層位於所述絕緣層遠離所述閘極的表面，所述源極和所述汲極間隔設置在所述通道層遠離所述絕緣層的表面；所述源極和所述汲極均為一根金屬性單壁奈米碳管，所述通道層的材料為二硫化鉬，所述金屬性單壁奈米碳管和所述通道層上分別設置複數個電極；所述絕緣層為二氧化矽； 提供一公式I：
    Figure 03_image001
    ，其中，R tot係兩個金屬性單壁奈米碳管之間的電阻，RCNT nc係金屬性單壁奈米碳管與所述電極的介面接觸電阻，RCNT Q係金屬性SWCNT的量子電阻，ρon sio2 CNT係在二氧化矽上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率，L in係所述電極至所述通道層的距離，
    Figure 03_image015
    ，r c為所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率，D CNT係所述金屬性單壁奈米碳管的直徑，ρ2D TMD係所述通道層的方塊電阻，L係所述源極和所述汲極之間通道層的長度，
    Figure 03_image053
    ，ρon MoS 2CNT係在所述二硫化鉬上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率，W係所述通道層的寬度，
    Figure 03_image036
    ；由所述公式I計算得到所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率r c；及 所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻R c滿足公式R c= r c/lc，其中，l C代表金屬性單壁奈米碳管的直徑，從而得到所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻。
  2. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，進一步包括形成所述場效應電晶體的偽色掃描電子顯微鏡照片的步驟，所述偽色掃描電子顯微鏡照片中，第一條線代表作為源極的金屬性單壁奈米碳管，第二條線代表作為汲極的金屬性單壁奈米碳管，在第一條線上定義A點，在第二條線上定義B點，A點和B點上均設置所述電極，並且A點和B點的連線平行於所述通道層的長度方向。
  3. 如請求項2所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，R tot係所述A點和B點兩點處電極之間的電阻。
  4. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，基於轉移長度方法分別得到在二氧化矽上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率ρon sio2 CNT、在二硫化鉬上的金屬性單壁奈米碳管的電阻率ρon MoS 2CNT，及金屬性單壁奈米碳管與所述電極的介面接觸電阻RCNT nc 。
  5. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，通過掃描電子顯微鏡或者原子力顯微鏡測量所述電極至所述通道層的長度L in、所述金屬性單壁奈米碳管的直徑D CNT、所述源極和所述汲極之間通道層的長度L和寬度W。
  6. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，通過一電源表測量得到所述兩個金屬性單壁奈米碳管之間的電阻R tot。
  7. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，基於四探針法得到所述通道層的方塊電阻ρ2D TMD。
  8. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，所述金屬性單壁奈米碳管的量子電阻RCNT Q係6.5 kΩ。
  9. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的介面接觸電阻率r c為10 -6Ω·cm 2，所述金屬性單壁奈米碳管與所述通道層的接觸電阻為50 kΩ·µm。
  10. 如請求項1所述的場效應電晶體的接觸電阻的測量方法，其中，所述汲極與所述通道層介面電阻的測量方法，與所述源極與通道層介面電阻的測量方法相同。
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