專利名稱：雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于柔性納米電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的“由上至下”(top-down)的工藝技術(shù)是在50年代后半期硅平面晶體管技術(shù)和更早的金屬真空鍍膜等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要結(jié)合硅片制備、掩膜技術(shù)、半導(dǎo)體摻雜技術(shù)等技術(shù)，以光刻和等離子體刻蝕等方法為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件的制作方法。一般來說，都是在已經(jīng)準(zhǔn)備好的材料層上，通過刻蝕和沉積等方式，制作出所需要的圖案。因此被稱為“由上至下”(top-down)方法。目前，所有大規(guī)模集成電路、電子芯片和電子元件等的制作均是使用的這種方法。其制作工藝的精確度較高，可達到亞微米級，且器件定位準(zhǔn)確。 但是由于工藝本身的限制，這種方法也有不可逾越的障礙。如由于光刻工藝使用光為主要工具，隨著器件的減小，光的衍射和干涉等特性進一步表現(xiàn)出來，因此加工的精確度難以進一步提高；半導(dǎo)體器件和集成電路的復(fù)雜程度不斷提高，使制作過程越來越復(fù)雜，制作成本也隨之提高。目前，一般的集成電路都要經(jīng)過十次以上的光刻才能完成；傳統(tǒng)技術(shù)受工藝的限制，無法在器件中加入新的材料，如納米線、納米管等，阻礙了集成技術(shù)的進一步發(fā)展。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新的工藝技術(shù)也隨之產(chǎn)生。納米器件的“由下至上”(bottom-up)制作工藝，是在納米技術(shù)和納米材料的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。“由下至上”(bottom-up)制作工藝是指在襯底之上加上納米材料，如各種材料的納米線、納米管等，再在納米材料的基礎(chǔ)之上制作電極等結(jié)構(gòu)，或者制作好電極后，接放置上納米線、納米管等納米材料從而制作成具有一定功能的電子器件。這種工藝是將已經(jīng)成型的材料放在襯底之上，不同于傳統(tǒng)的“由上至下”(top-down)工藝。形象地說就像壘積木一樣，將材料一層層搭建到一起。事實上，如果我們用單根納米管構(gòu)建晶體管，雖然理論上它的性能可以輕松超過現(xiàn)今硅基晶體管的性能。但是單根納米管難普及存在一個主要障礙即其制造工藝難度極大。此外，單根納米管制備的器件往往需要人工組裝，因此可能要用幾天的時間才能制作完成，大大降低了生產(chǎn)效率。另外，這類器件還存在著個體差異的問題，各納米管的形狀和構(gòu)型總是略有差別，因此不同器件的性能通常也不一致。因此，這類單根碳納米管不會取代硅和銅。盡管如此，由于碳納米管可以和硅在電子電路中扮演同樣的角色，而且它的尺寸只有分子大小，如果定位等問題可以得到解決，納米電子器件有望將集成度提高至1012/cm2。近年來，科學(xué)家一直在全力探索如何制造成本低廉、功能多樣的柔性電子產(chǎn)品，碳納米管在電子領(lǐng)域的迅速崛起恰好為這一研究方向注入了新的活力。由于碳納米管具有獨特的形狀和電子性能，極有希望成為未來電子元件制造的主要原材料。而由碳納米管制作的柔性、透明導(dǎo)電涂層有望加快柔性顯示器和電子紙張的開發(fā)進程。
發(fā)明內(nèi)容[0006]為了克服現(xiàn)有納米器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備技術(shù)的不足，本實用新型提供一種性能優(yōu)秀的雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管。實現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下。雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三層外層12、中層11和內(nèi)層10 ；所述內(nèi)層10中部設(shè)有底柵電極9 ；所述底柵電極9中部向上呈階梯狀的拱形，底柵電極9上部依次設(shè)有底柵絕緣層8和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7，所述底柵絕緣層8和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7的形狀與底柵電極9相同，即中部向上呈階梯狀的拱形；所述碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7上部呈階梯狀的拱形的兩側(cè)分別設(shè)有漏電極5和源電極6 ；所述漏電極5和源電極6的頂部設(shè)有二氧化鉿薄膜層 4 ；與漏電極5對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4的頂部設(shè)有漏電極引線13，與源電極6對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4的頂部設(shè)有源電極引線16 ；與碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4頂部依次設(shè)有頂柵電極3和頂柵電極引線15 ；所述漏電極引線13、頂柵電極引線15 和源電極引線16相互平行；底柵電極9的電極引線為14位于漏電極引線13、頂柵電極引線 15和源電極引線16的后部，且垂直于漏電極引線13、頂柵電極引線15和源電極引線16。所述外層12、中層11和內(nèi)層10材料分別為聚酰亞胺(Polyimide，PI)、聚氨酯 (Polyurethane, PU)、聚酰胺酸(Polyamic Acid, PAA)；所述頂柵電極3材料為硅；所述底柵電極9材料為金(Au);所述漏電極5和源電極6材料分別為金，厚度為30nm ；所述底柵絕緣層8材料為二氧化鉿(HfO2)；所述二氧化鉿薄膜層4的厚度為IOnm以內(nèi)。本實用新型的雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管，在頂柵壓不變情況下，通過改變底柵柵壓的大小使得溝道電導(dǎo)可調(diào)，在底柵柵壓不變情況下，通過改變頂柵柵壓的極性使得溝道導(dǎo)電類型可調(diào)。本實用新型即可制備在硬質(zhì)襯底也可制備在柔性襯底上，可以進一步構(gòu)建邏輯門電路。由于采用隨機網(wǎng)絡(luò)做為導(dǎo)電溝道，加工制備方法簡單， 便于批量規(guī)模加工，同時有效克服了單根納米管制備的器件往往需要人工組裝、個體差異、 器件性能通常不一致、定位難以及生產(chǎn)效率低等缺點?？蓱?yīng)用于納米集成電路。該器件在納米電子學(xué)和柔性納米電子學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。本實用新型雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管的電流的開關(guān)比值理論上大于105，且底柵極所加電壓為正向電壓，頂柵極的電壓在0 —-12V之間變化時，漏電極和源電極之間的電流可以實現(xiàn)有效夾斷；底柵極為負(fù)向電壓，頂柵極電壓在O —-12V， 導(dǎo)電溝道電導(dǎo)增強。

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在硅基上重?fù)诫s上層硅示意圖。圖3為制成頂柵電極3示意圖。圖4為制備二氧化鉿(HfO2)絕緣層4示意圖。圖5為制備漏電極5、源電極6示意圖。圖6為制備碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7示意圖。圖7為使部分漏電極5、部分源電極6和部分二氧化鉿絕緣層4暴露在外示意圖。圖8為制備二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8示意圖。[0020]圖9為光刻形成底柵電極9示意圖。圖10為濕法腐蝕去除二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8兩側(cè)部分的示意圖。圖11為制備柔性基底的內(nèi)層10的示意圖。圖12為制備柔性基底的中層11的示意圖。圖13為制備柔性基底的外層12的示意圖。圖14為去除硅基的示意圖。圖15為設(shè)有漏電極引線、底柵電極引線、頂柵電極引線和源電極引線示意圖。圖1-15中序號襯底層1、二氧化硅層2、頂柵電極3、二氧化鉿薄膜層4、漏電極 5、源電極6、碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7、底柵絕緣層8、底柵電極9、內(nèi)層10、中層11、外層 12、漏電極引線13、底柵電極引線14、頂柵電極引線15、源電極引線16。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步地說明。實施例參見圖1，雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三層外層12、中層11和內(nèi)層10 ；所述內(nèi)層10中部設(shè)有底柵電極 9 ；所述底柵電極9中部向上呈階梯狀的拱形，底柵電極9上部依次設(shè)有底柵絕緣層8和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7，所述底柵絕緣層8和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7的形狀與底柵電極9相同，即中部向上呈階梯狀的拱形；所述碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7上部呈階梯狀的拱形的兩側(cè)分別設(shè)有漏電極5和源電極6 ；所述漏電極5和源電極6的頂部設(shè)有二氧化鉿薄膜層4 ；與漏電極5對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4的頂部設(shè)有漏電極引線13，與源電極6對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4的頂部設(shè)有源電極引線16 ；與碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層7對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層4頂部依次設(shè)有頂柵電極3和頂柵電極引線15 ；所述漏電極引線13、頂柵電極引線15和源電極引線16相互平行；底柵電極9的電極引線為14位于漏電極引線13、頂柵電極引線15和源電極引線16的后部，且垂直于漏電極引線13、頂柵電極引線15和源電極引線16。雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管的制備工藝包括以下操作步驟(1)在硅基上重?fù)诫s上層硅，所述硅基包括襯底層1和二氧化硅層(SiO2) 2，其中襯底層1材料為硅(Si)，且其晶向為(100)方向；上層硅同樣為位于二氧化硅層(Si02)2頂部，利用BG-401A型光刻設(shè)備光刻上層硅形成頂柵電極3 ；見圖2和圖3 ；(2)在頂柵電極3和二氧化硅層2上，采用PLD-450型號的脈沖激光沉積設(shè)備 (PLD)制備有效氧化層厚度在IOnm以內(nèi)的二氧化鉿(HfO2)絕緣層4，見圖4。PLD-450 脈沖激光沉積設(shè)備(PLD)上的二氧化鉿(HfO2)陶瓷靶純度為99. 99%, PLD-450脈沖激光沉積設(shè)備的本底真空度為2X10_4Pa，沉積時通入純度為99. 99 %的氧氣，控制沉積真空度為1. 5X KT1Pa ；沉積時靶和硅基均做自轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速均為8r/min，激光頻率為5Hz，每個脈沖能量為300mJ，沉積態(tài)的二氧化鉿(HfO2)薄膜經(jīng)溫度500°C、氮氣(N2)氣氛下，在 0TF-1200X-4-RTP型號的管式爐中熱退火，時間為30分鐘；二氧化鉿絕緣層4經(jīng)退火處理， 可消除其部分晶格缺陷；[0034](3)在二氧化鉿絕緣層4上，采用JGP800型磁控濺射沉積設(shè)備和BG-401A型光刻設(shè)備制備厚30nm的金材料的源電極5、漏電極6 ；見圖5。首先在二氧化鉿絕緣層4上沉積金薄膜，其中JGP800型磁控濺射設(shè)備的金靶的純度為99. 99%，JGP800型磁控濺射沉積設(shè)備的本底真空度為2 X10_4Pa，沉積時通入純度為99. 99%的氧氣，控制沉積真空度為0. 5-2Pa 之間，電源功率為IOOw ；接著，將沉積的金薄膜利用BG-401A型光刻設(shè)備分別制備源電極5、 漏電極6，光刻源電極5、漏電極6的工藝參數(shù)首先將具有金薄膜的硅基置于KW-4A型勻膠機上，接著分別采用低速和高速轉(zhuǎn)動勻膠機，將光刻膠均勻分布于金薄膜表面，其中低速為600 r/min，高速為3000 r/min ；最后將具有金薄膜的硅基烘干后曝光顯影并刻蝕，曝光時間為30s，顯影時間為10s，刻蝕時間為8s ；選擇金材料作為漏電極5和源電極6的電極材料，是因為金材料的功函數(shù)與單壁碳納米管的功函數(shù)差別相對較小，這樣可以降低金屬電極與單壁碳納米管的接觸勢壘；(4)按質(zhì)量體積比為20mg :50ml取碳納米管加入聚乙烯醇或乙醇中，在攪拌條件下混合100 150min后，形成穩(wěn)定的分散懸浮液；利用勻膠機將碳納米管懸浮液均勻旋涂于漏電極(Au)5和源電極(Au)6以及沒有被漏電極5和源電極6覆蓋的二氧化鉿絕緣層4 之上，KW-4A型勻膠機轉(zhuǎn)速為500rpm/min ；經(jīng)干燥、退火等工藝得到單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)層7 ；所述碳納米管的直徑為1 5nm，長度為10-30um ；(5)將具有單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)層7的硅基，首先采用BG-401A型光刻設(shè)備進行光刻，將漏電極(Au)5、源電極(Au)6和二者之間部分的單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)層7經(jīng)曝光顯影使其暴露在外，見圖7。接著采用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備將漏電極(Au) 5、源電極(Au) 6 和二者之間部分的單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)層7橫向切成線條陣列，相鄰線條之間的間距為 5Mm，使單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)層7中相鄰線條之間的單壁碳納米管彼此分開，從而避免短路；(6)在單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)薄層7上利用勻膠機均勻旋涂光刻膠保護層，光刻膠材料為AZ 5214，采用氧反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備分別去除漏電極(Au) 5外側(cè)和源電極(Au) 6 外側(cè)的單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)薄層7，使部分漏電極5、部分源電極6和部分二氧化鉿絕緣層4暴露在外；接著利用丙酮和異丙醇去除剩余單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)薄層7上的光刻膠保護層；(7)在單壁碳納米管隨機網(wǎng)絡(luò)薄層7和暴露在外的部分漏電極5、部分源電極6和部分二氧化鉿絕緣層4上，采用PLD-450型脈沖激光沉積設(shè)備(PLD)制備有效氧化層厚度在IOnm以內(nèi)二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8，見圖8。制備二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8的具體工藝參數(shù)和步驟與步驟(2)相同；(8)在二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8上，采用擬S-500型電子束蒸發(fā)沉積設(shè)備沉積30nm的金材料層，光刻形成底柵電極9，見圖9。底柵電極9與漏電極(Au) 5、源電極(Au)6上下相對應(yīng)，光刻底柵電極9的具體工藝參數(shù)與步驟(3)相同；底柵電極9形成的具體操作條件是在電子束蒸發(fā)設(shè)備中放入5g左右的金粒，待電子束蒸發(fā)沉積設(shè)備的真空度為KT4Pa時，打開設(shè)備電源，蒸發(fā)速度保持在0. 5nm/s，直至沉積結(jié)束；(9)采用濕法腐蝕設(shè)備去除二氧化鉿(HfO2)頂柵絕緣薄膜層8兩側(cè)的部分，使部分漏電極5、部分源電極6和部分二氧化鉿絕緣層4暴露在外，見圖10。(10)在底柵電極9和步驟(10)中暴露在外的部分漏電極5和部分源電極6以及部分二氧化鉿絕緣層4之上，以轉(zhuǎn)速1500 r. p. m，時間60s，旋涂聚酰胺酸(Polyamic Acid, PAA)層，即為柔性基底的內(nèi)層10，見圖11，在溫度150°C條件下加熱烘干；(11)在柔性基底的內(nèi)層10上，以轉(zhuǎn)速5000 r. p. m，，時間60s，旋涂聚氨酯 (Polyurethane, PU)層，即為柔性基底的中層11，見圖12，利用HPT — 1000型鍵合臺設(shè)備給聚氨酯(Polyurethane, PU)層即柔性基底的中層11施加3X lOlorr壓力，時間lOmin， 去除聚氨酯(Polyurethane，PU)層11內(nèi)的空氣泡；在溫度150°C條件下加熱烘干；(12)在柔性基底的中層11上，聚酰亞胺(Polyimide，PI)薄膜層即為柔性基底的外層12，見圖13，在250°C 270°C條件下加熱的同時，并利用HPT — 1000型鍵合臺設(shè)備給聚酰亞胺(Polyimide，PI)薄膜層即柔性基底的外層12施加3 X KT6Torr壓力，時間lOmin， 使二者牢固結(jié)合；(13)借助尖嘴鉗和薄刀片將硅基剝離，使頂柵電極3暴露在外，利用GSL真空爐， 在溫度300°C 350°C、真空度為2 X 10-4 條件下，將柔性基底的內(nèi)層10、中層11和外層 12固化；(14)采用ME-3A型反應(yīng)離子刻蝕(RIE)設(shè)備，在頂柵電極3上引出頂柵電極引線 15，在頂柵電極3兩側(cè)的二氧化鉿絕緣層4上分別開孔引出漏電極引線13和源電極引線 16，且頂柵電極引線15、漏電極引線13和源電極引線16相互平行；在頂柵電極引線15、漏電極引線13和源電極引線16后側(cè)的二氧化鉿絕緣層4上開孔引出底柵電極14，制得雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管。
權(quán)利要求1.雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管，其特征在于包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三層外層(12)、中層(11)和內(nèi)層(10);所述內(nèi)層(10)中部設(shè)有底柵電極(9)；所述底柵電極(9)中部向上呈階梯狀的拱形，底柵電極(9)上部依次設(shè)有底柵絕緣層(8)和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層(7)，所述底柵絕緣層(8)和碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層(7)的形狀與底柵電極(9)相同，即中部向上呈階梯狀的拱形；所述碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層(7)上部呈階梯狀的拱形的兩側(cè)分別設(shè)有漏電極(5)和源電極(6)；所述漏電極(5) 和源電極(6)的頂部設(shè)有二氧化鉿薄膜層(4);與漏電極(5)對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層(4)的頂部設(shè)有漏電極引線(13)，與源電極(6)對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層(4)的頂部設(shè)有源電極引線(16)；與碳納米管隨即網(wǎng)絡(luò)薄膜層(7)對應(yīng)的二氧化鉿薄膜層(4)頂部依次設(shè)有頂柵電極(3)和頂柵電極引線(15);所述漏電極引線(13)、頂柵電極引線(15)和源電極引線(16) 相互平行；底柵電極(9)的電極引線為(14)位于漏電極引線(13)、頂柵電極引線(15)和源電極引線(16)的后部，且垂直于漏電極引線(13)、頂柵電極引線(15)和源電極引線(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述外層(12)、中層(11)和內(nèi)層(10)材料分別為聚酰亞胺、聚氨酯、聚酰胺酸；所述頂柵電極(3)材料為硅；所述底柵電極(9)材料為金；所述漏電極(5)和源電極(6)材料分別為金，厚度為30nm ；所述底柵絕緣層(8)材料為二氧化鉿；所述二氧化鉿薄膜層(4)的厚度為IOnm以內(nèi)。
專利摘要本實用新型涉及雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管。在頂柵、底柵柵壓不變情況下，通過改變底柵柵壓的大小使得溝道電導(dǎo)可調(diào)，通過改變頂柵柵壓的極性使得溝道導(dǎo)電類型可調(diào)。本實用新型即可制備在硬質(zhì)襯底也可制備在柔性襯底上，可以進一步構(gòu)建邏輯門電路。由于采用隨機網(wǎng)絡(luò)做為導(dǎo)電溝道，加工制備方法簡單，便于批量規(guī)模加工，同時有效克服了單根納米管制備的器件人工組裝、個體差異、器件性能不一致、定位難以及生產(chǎn)效率低等缺點。本實用新型雙柵溝道導(dǎo)電類型可調(diào)單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管的電流的開關(guān)比值理論上大于105。可應(yīng)用于納米集成電路。該器件在納米電子學(xué)和柔性納米電子學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。
文檔編號H01L29/786GK202127020SQ20112024859
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者周琪, 常永嘉, 汪祖民, 王鵬, 許高斌, 陳興 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)