第24卷 第10期 电子测量与仪器学报 Vol. 24 No. 102010年10月JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT· 969 ·本文于2010年8月收到。

* 基金项目: 安徽省自然科学基金(编号: 090414199)资助项目; 中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2010HGZY0004, 2010HGXJ0224)资助项目。

DOI: 10.3724/SP.J.1187.2010.00969碳纳米管场效应晶体管设计与应用*许高斌1,2 陈 兴1,2 周 琪3 王 鹏1,2(1. 安徽省微电子机械系统工程技术研究中心, 合肥 230009; 2. 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 合肥 230009;3. 合肥工业大学材料科学与工程学院, 合肥 230009)摘 要: 碳纳米管具有一些独特的电学性质, 在纳米电子学有很好的应用前景。

随着纳米技术的发展, 新的工艺技术也随之产生。

纳米器件的“由下至上”制作工艺, 是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的, 在新工艺基础之上, 可以利用纳米管、纳米线的性质制作成各种新的电子器件。

由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色, 随着基于碳纳米管的纳米电路研究的深入发展, 电子学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。

从分析碳纳米管分立场效应晶体管典型结构特点入手, 分析阐述了碳纳米管构建的典型纳米逻辑电路结构特征及碳纳米管在柔性纳米集成电路方面的应用。

关键词: 碳纳米管；场效应晶体管；纳米逻辑门电路；柔性纳米集成电路；纳米电子学 中图分类号: O484 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 430.4030Design and application of carbon nanotube FETsXu Gaobin 1,2 Chen Xing 1,2 Zhou Qi 3 Wang Peng 1,2(1. Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province, Hefei 230009, China; 2. School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei 230009, China; 3. School of Materials Science and Engineering, HefeiUniversity of Technology, Hefei 230009, China)Abstract: Carbon nanotube has many extraordinary electrical properties and extensive application foreground on nano electronics. With the development of nanotechnology, new process technique is generated. And the bottom-up fabri-cation process is developed based on nano technique and nano materials, then various new electron devices is constructed by using the properties of nanotubes and nanowires. Since the CNTs can act same roles in electronic circuit as Si material, and with the profound development of research of nano-ICs based on CNTs, the electronics will turn into the nanoelec-tronic era truly from the microelectronic era. In this paper, the feature of typical structure of nano electronic devices based on CNTs, CNTs field effect transistor (FET), is discussed, the characteristic of typical structure of logic-gate circuits based on CNT-FETs is represented, and the application of CNTs on flexible nano ICs is also described.Keywords: carbon nanotube; FETs; nano logic-gate circuit; flexible nano-ICs; Nano electronics1 引 言自1991年S. Iijima 发现碳纳米管后[1], 由于其独特的物理、化学性质及其机械性能, 具有径向量子效应、超大比表面面积、千兆赫兹的固有振荡频率等特点[2], 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人们的极大关注。

从结构上来说, CNTs 可以分为单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)。

SWCNT 是单层的, 其直径在1~5 nm; MWCNT 大约有50层, 内径在1.5~15 nm, 外径在2.5~30 nm 。

MWCNT 由于结构上存在缺陷, 其纳结构在稳定性上不如SWCNT 结构。

碳纳米管具有一些独特的电学性质[3], 可制备出金属性和半导体性·970 ·电子测量与仪器学报第24卷两种特性, 碳纳米线可通过的电流能力是金属的100倍; 在机械性能上, 单壁碳纳米管的强度是钢的100倍, 其杨氏模量是1 TPa[4], 是钢(230 GPa)的5倍, 而其密度仅为1.3 g/cm3。

此外, 碳纳米管热导率为2 000 W/m.K[5], 是铜热导率(400 W/m.K)的5倍。

金属性碳纳米管在室温下有良好的导电性, 利用其导电性制作成具有纳米数量级的导线, 美国纽约州Rensselaer工学院科学家的最新试验显示, 在45 nm及以下制程中, 碳纳米管材料的性能已经超过目前普遍使用的铜互连工艺, 因此碳纳米管将来可能用作3D(三维集成电路)互连材料[6]。

半导体性的碳纳米管具有传统半导体的所具有的电学性质, 在室温下, 半导体性的碳纳米管导电性能很差, 可视其为绝缘体。

但是如果在其径向方向上加1个偏压, 因其内部产生载流子而具有导电性。

随着径向偏压的增大, 载流子的浓度也随之增大。

除了以上与半导体相似的性质之外, 碳纳米管还有其独特之处: 半导体在掺杂之后, 根据其掺杂的种类不同导电方式分为P 型和N 型半导体。

半导体性质的碳纳米管的导电方式根据加在其径向方向上的偏压不同而改变。

在加正偏压的情况下, 碳纳米管内部的载流子为电子, 属于n型; 如加偏压为负, 碳纳米管的载流子为空穴, 导电类型为p型。

由于极好的电学和机械特性, 碳纳米管非常适合制备NEMS(纳机电系统)器件。

目前基于碳纳米管的纳器件已有不少原理器件报道, 如可调式千兆赫兹振荡器[7], 纳数据存储器[8], 纳米管随机存储器(NRAM)[9], 纳米传感器[10-11], 纳米管桥式开关[12], 纳继电器[13], 场效应晶体管[14]等。

具有固有频率可达千兆赫兹(GHz)CNT-纳继电器作为开关使用时, 可用于逻辑器件、存储单元、脉冲发生器, 电流或电压放大器中。

至今关于碳纳米管的应用研究也只不过十多年,很多方面都不成熟。

目前,我国在碳纳米管的合成制备技术方面,基本保持和国外同步, 处于接近水平,甚至在某些方面国内还处于领先地位[15-16],但真正基于碳纳米管器件的深入研究却不多。

从分析碳纳米管典型结构分立器件的研究进展入手, 进一步分析阐述碳纳米管构建纳米逻辑电路及碳纳米管在柔性纳电子学方面的应用, 希望能为我国基于碳纳米管的集成纳电子学研究及其实用化、产业化提供借鉴。

2典型碳纳米管分立器件结构最早利用碳纳米管制成的场效应晶体管是荷兰代尔夫特工业大学Tans S J等于1998年首次提出的[17]: 硅衬底做背栅(衬底上通过热氧化生长1层厚300 nm的SiO2层), 然后制备Pt作电极, 再利用自组装技术将半导体型的单根单壁碳纳米管搭接Pt电极上, 从而构建单壁碳纳米管场效应晶体管结构, 如图1所示。

图2是该CNT-FET的I-V特性曲线, 电流在nA量级, 在V gate=0时, I-V bias特性曲线出现了一些小的非线性。

当V gate增加到正值时, 在V bias=0附近出现明显的间隙状态非线性。

当V gate为负值时, I-V bias特性曲线变为线性, 电阻饱和于1 kΩ附近。

同年, IBM的R. Martel 等也独立报道了他们的研究成果, 并对器件结构进行了改进[18]: 在硅衬底上热生长1层厚氧化层(SiO2)用做栅介质层, 然后光刻制备Au作为电极, 将分散于有机溶剂的碳纳米管撒落在衬底上, 用硅作为背栅。

他们同时对单根多壁、单壁碳纳米管场效应晶体管的性能进行了分析研究。

图1 CNT-FET典型结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of typic CNT-FET structure图2 CNT-FET电流-电压特性Fig. 2 I-V bias curves of CNT FET第10期碳纳米管场效应晶体管设计与应用·971 ·2003年IBM公司的Wind S.J.等提出了一种分段顶栅结构CNT-场效应晶体管[19], 如图3所示。

整个顶栅被光刻分割为4段, 段间隙为20~25 nm, 顶栅宽分别为480 nm、160 nm、80 nm和240 nm, 碳纳米管和衬底、顶栅之间都有1层氧化层, 源、漏是Ti 电极, 源、漏间距为1 μm。

每段顶栅独立的施加不同偏压, 使得晶体管表现出更多的特性, 如图4所示。

给出了不同沟道长度栅压对源漏电流的关系。