CN101075637A - 一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101075637A CN101075637A CN 200710099322 CN200710099322A CN101075637A CN 101075637 A CN101075637 A CN 101075637A CN 200710099322 CN200710099322 CN 200710099322 CN 200710099322 A CN200710099322 A CN 200710099322A CN 101075637 A CN101075637 A CN 101075637A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon
- borate
- dimension
- nano
- nitrogen nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种采用一维硼碳氮纳米材料作为导电通道的场效应晶体管及其制备方法。该场效应晶体管由硅衬底(1)，其上的绝缘层(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维硼碳氮纳米材料导电通道(4)组成；其中源区(3)和漏区(5)由与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜构成，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维硼碳氮纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上。其中硅衬底(1)由重掺杂的硅片制成；所述绝缘层由通过干氧化法得到的二氧化硅制成。利用一维硼碳氮纳米材料具有带隙可在很宽范围内调节的半导体特性，极大地提高了制作基于纳米管器件的成功率(普通碳纳米管中半导体性管在理论上只占67％)。本发明有利于实现纳米管器件的大规模制作和***集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
碳纳米管由于其独特的电学和力学特性，成为极具潜力的基础科学研究和制作纳米电子器件的热门材料。目前利用碳纳米管已经制备出了各种不同的电子元器件，包括二极管，场效应晶体管，振荡器和一些基本的逻辑门电路。(V.Derycke，R.Martel，J.Appenzeller，and Ph.Avouris，Nano Lett.1，453(2001)；Adrian Bachtold，Peter Hadley，Takeshi Nakanishi，Cees Dekker，Science 294，1317(2001)；SanderJ.Tans，Alwin R.M.Verschueren & Cees Dekker，Nature 393，49(1998)；Zhihong Chen，Joerg Appenzeller，Yu-Ming Lin，JenniferSippel-Oakley，Andrew G.Rinzler，Jinyao Tang，Shalom J.Wind，PaulM.Solomon，Phaedon Avouris，Science 311，1735(2006))。但是碳纳米管制作纳米器件的一个很大的难题在于，碳纳米管在导电性质上分为半导体性的和金属性的两种。一般方法合成的碳纳米管都是半导体性的纳米管和金属性的纳米管混合在一起，而只有半导体性的纳米管才能用来制作器件，金属性的管子混杂在半导体管子中间，会导致器件失效。因此纳米管器件无法大规模的制作，更不能被集成。
为了解决这一难题，目前有几种代表性的办法：(1)使用重金属盐和金属性的管反应使其变为不导电从而使半导体性的纳米管行使器件的功能(Lei An，Qiang Fu，Chenguang Lu，and Jie Liu，JACS，126，10520(2006))；(2)使用超高速离心机离心纳米管的分散溶液，半导体性的管和金属性的管密度不同而分开(MICHAEL S.ARNOLD，ALEXANDER A.GREEN，JAMES F.HULVAT，SAMUEL I.STUPP AND MARK C.HERSAM Nature Nanotechnology，1，60(2006))；(3)使用等离子体刻蚀的方法，金属性的反应活性高从而被刻蚀掉，半导体性的留下来(Guangyu Zhang，Pengfei Qi，Xinran Wang，Yuerui Lu，Xiaolin Li，Ryan Tu，Sarunya Bangsaruntip，David Mann，Li Zhang，Hongjie Dai，Science 314，974(2006))。这几种方法都是后处理的方法，步骤复杂，操作困难大，成本很高，规模化比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用纯半导体性纳米材料制备场效应晶体管，从而极大地提高制作碳纳米管器件的成功率，为大规模制作与***集成奠定基础。同时，由于本发明采用更短更小的一维纳米材料，以及“自下而上”的纳器件制备方法，故而将对工艺流程的简化和器件集成度的提升产生深远的影响。本发明还进一步提供了一种制备基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管存储器的具体方法，此方法工艺简洁，与半导体集成电路工艺兼容。
为实现上述目的，本发明提供一种基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管，其由硅衬底(1)(同时作为栅区)，其上的绝缘层(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维硼碳氮纳米材料导电通道(4)组成；其中源区(3)和漏区(5)由与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜构成，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维硼碳氮纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上。其中硅衬底(1)由重掺杂的硅片制成；所述绝缘层由通过干氧化法得到的二氧化硅制成。其中一维硼碳氮纳米材料可为硼碳氮纳米管或纳米线或纳米纤维等线形形状的纳米材料。
进一步所述源区(3)和漏区(5)的金属膜优选为均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。
上述基于一维硼碳氮纳米材料的效应晶体管的制备方法，依次包括以下步骤
(1)先将硅片表面氧化以形成绝缘层，并清洗硅片以作为衬底；
(2)提纯一维硼碳氮纳米材料，并分散一维硼碳氮纳米材料，得到单根分散溶液；
(3)把一维硼碳氮纳米材料单根分散溶液涂布在绝缘层所需部分上；
(4)在绝缘层和硼碳氮纳米材料上涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形，
(5)在光刻图形表面镀上与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜，再清洗掉光刻胶，得到源/漏电极对阵列图形；
(6)在氮气或者氩气保护下退火。
本发明以半导体性的一维硼碳氮纳米材料作为器件的导电沟道，成功制作了场效应晶体管，器件的成功率超过95％，远远超过纯的单壁碳纳米管的水平。本发明是一种彻底解决单壁碳纳米管金属性和半导体性混合在一起这个难题的方法；并且由于采用更短更小的一维纳米线(具体指“单壁硼碳氮纳米管”材料)和“自下而上”的纳器件制备方法，更加便于未来器件的制备工艺的简化以及集成度的提升。同时，这一工艺与现有的半导体IC工艺完全兼容，而且简洁的制作工艺能够有效地提高器件的成品率。本发明将为基于一维硼碳氮纳米材料场效应晶体管的大规模制作与集成应用开辟广阔的空间。
附图说明
图1a为本发明场效应晶体管单元截面示意图；
图1b为图1所示场效应晶体管俯视图；
图2为本发明场效应晶体管制备方法流程图；
图3为本发明场效应晶体管制备过程示意图；
图4a为构造的场效应管实物的原子力显微镜照片；
图4b为本发明场效应晶体管的沟道电流-栅极电压IDS-Vg特性曲线；
图4c为本发明场效应晶体管在不同偏压下的沟道电流-栅极电压IDS-VDS曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1a、图1b所示，本发明一种基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管由硅衬底1，(同时作为栅区，)其上的绝缘层2，以及源区3、漏区5和位于源区3和漏区5之间的单壁硼碳氮纳米管导电通道4组成。源区3和漏区5为与硼碳氮纳米管有良好接触性能的钛、金双层金属膜，在制作源区3和漏区5之前，单壁硼碳氮纳米管被均匀地布散在栅区2上。
本发明由于用一维纳米材料(具体指“单壁硼碳氮纳米管”材料)取代硅材料做为导电通道，并且采用“自下而上”的纳器件制备方法，使得工艺流程大为简化。
根据反复试验，发明人设计了如图2、图3所示的工艺流程，具体为：
1.制备基片
先将硅片表面氧化以形成绝缘层，并清洗该重掺杂硅片以作为基片衬底，将基片衬底依次放入丙酮、酒精和去离子水中进行超声波清洗5分钟。
2.提纯单壁硼碳氮纳米管，分散单壁硼碳氮纳米管，得到单根分散溶液
把单壁硼碳氮纳米管先用浓盐酸浸泡，去除催化剂颗粒。把离心得到的沉淀在空气中加热到450摄氏度，除去非晶碳得到纯度较高的纳米管粉末。
将上述纯化得到的粉末，加入二氯乙烷，并进行超声波处理，离心去除沉淀，得到分散均匀的纳米管溶液。
3.涂布硼碳氮纳米管单根分散溶液
把一维硼碳氮纳米材料单根分散溶液，通过涂胶机上旋涂在绝缘层所需部分上，溶液干了之后，维硼碳氮纳米管就吸附在硅基片衬底上。
4.涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形
在绝缘层和硼碳氮纳米材料上涂布光刻胶，通过电子束光刻形成了源/漏区的光刻图形，电子光刻胶PMMA950旋涂4500RPM。
5.镀金属膜，得到源/漏电极对阵列电极图形
在光刻图形上镀上与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜，可优选为2nm钛金属膜和20nm金金属膜，将镀膜后的片子在丙酮溶液里浸泡，再清洗掉光刻胶，用剥离(lift-off)工艺得到源/漏电极对阵列电极图形。
6.在氮气或者氩气保护下退火
最后在氮气或者氩气保护下于350-400摄氏度进行后退火，以改善源/漏电极与单壁纳米管导电通道之间的接触，提高器件性能。
至此，单壁硼碳氮纳米管场效应晶体管制备完毕，其器件结构和整个工艺过程分别如图1和3所示。
图4a-4c所示为单个器件的测量结果。
一般用沟道电流-栅极电压IDS-Vg特性曲线来衡量一个场效应晶体管的性能。图4a为一个器件的原子力显微镜照片，在源漏电极之间有一个纳米管链接。图4b为该器件的IDS-Vg转移特性曲线。测试时保持源漏电压VDS＝0.1V不变，而栅极电压逐步从-20V增大到+6V，每步步长均为2V。图4c是不同栅极电压下的IDS-VDS曲线。固定栅极电压，扫描源漏之间的I-V曲线。源漏偏压从0V降到-1V，栅极电压从0V降到-20V，步长5V。可以看到，在负的栅极电压时，源漏电流大，器件处于导通状态，而在正的栅极电压下，源漏之间电流相当的低，处于截至状态。这样通过栅极的电压，就可以控制器件的开通和截至状态，成为一个场效应晶体管。并且在负的栅极导通，所以这种场效应管是P型的。在零栅极电压的情况下，源漏之间也是没有电流的，属于增强型的场效应晶体管，功耗更低。此晶体管的电流开关比从B图可以看出，达到5个数量级。
实验中测量了200个独立器件，其中191个可以被截止(即，可以作为场效应晶体管)，成功率达到了95％以上。综上所述，本发明的基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管，利用一维硼碳氮纳米材料作为场效应晶体管的导电通道，极大的提高了纳米管器件的成功率，性能上达到了一般的碳纳米管场效应晶体管的水平。本发明是一种更高效，工艺更简单，成功率更高的纳米器件，避免了普通单壁碳纳米管金属性和半导体性管混杂在一起的难题。在器件规模化制作和集成方面具有极强的应用价值。
Claims (9)
1、一种基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管，其特征在于，该场效应晶体管由硅衬底(1)，其上的绝缘层(2)，以及源区(3)、漏区(5)和位于源区(3)和漏区(5)之间的一维硼碳氮纳米材料导电通道(4)组成；其中源区(3)和漏区(5)由与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜制成，在制作源区(3)和漏区(5)之前，一维硼碳氮纳米材料被均匀地布散在栅区(2)上，所述硅衬底同时作为栅极。
2、如权利要求1所述的基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管，其特征在于，所述一维硼碳氮纳米材料是指硼碳氮纳米管或纳米线或纳米纤维等线形形状的纳米材料。
3、如权利要求1所述的基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管，其特征在于，所述硅衬底(1)由重掺杂的硅片制成；所述绝缘层由通过干氧化法得到的二氧化硅制成。
4、如权利要求1所述的基于一维硼碳氮纳米材料的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述源区(3)和漏区(5)的金属膜均为由2纳米厚的钛金属和20纳米厚的金金属层构成的双层膜。
5、权利要求1中任意一项所述的基于一维硼碳氮纳米材料的场效应晶体管的制备方法，其具体步骤如下：
(1)先将硅片表面氧化以形成绝缘层，并清洗硅片以作为衬底；
(2)提纯一维硼碳氮纳米材料，并分散一维硼碳氮纳米材料，得到单根分散溶液；
(3)把一维硼碳氮纳米材料单根分散溶液涂布在绝缘层所需部分上；
(4)在绝缘层和硼碳氮纳米材料上涂布光刻胶，通过光刻形成了源/漏区的光刻图形；
(5)在光刻图形表面镀上与硼碳氮纳米材料有良好接触性能的金属膜，再清洗掉光刻胶，得到源/漏电极对阵列图形；
(6)在氮气或者氩气保护下退火。
6、如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，其中步骤(2)中用来分散一维硼碳氮纳米材料的液体是二氯乙烷。
7、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，其中步骤(3)中的涂布方法为旋涂，一维硼碳氮纳米材料在衬底的密度用旋涂的次数来控制。
8、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)光刻时源/漏电极相距300纳米到2微米。
9、如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)退火的温度为350-400℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200710099322 CN101075637A (zh) | 2007-05-16 | 2007-05-16 | 一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200710099322 CN101075637A (zh) | 2007-05-16 | 2007-05-16 | 一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101075637A true CN101075637A (zh) | 2007-11-21 |
Family
ID=38976535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200710099322 Pending CN101075637A (zh) | 2007-05-16 | 2007-05-16 | 一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101075637A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103496689A (zh) * | 2013-09-23 | 2014-01-08 | 同济大学 | 一种具有高塞贝克系数的硼掺杂p型碳纳米管的制备方法 |
| CN106847701A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 青岛大学 | 一种金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管的制备方法 |
| WO2018215892A1 (en) * | 2017-05-23 | 2018-11-29 | International Business Machines Corporation | Semiconductor device |
-
2007
- 2007-05-16 CN CN 200710099322 patent/CN101075637A/zh active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103496689A (zh) * | 2013-09-23 | 2014-01-08 | 同济大学 | 一种具有高塞贝克系数的硼掺杂p型碳纳米管的制备方法 |
| CN103496689B (zh) * | 2013-09-23 | 2015-04-15 | 同济大学 | 一种具有高塞贝克系数的硼掺杂p型碳纳米管的制备方法 |
| CN106847701A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-06-13 | 青岛大学 | 一种金属掺杂氧化锌纳米纤维场效应晶体管的制备方法 |
| WO2018215892A1 (en) * | 2017-05-23 | 2018-11-29 | International Business Machines Corporation | Semiconductor device |
| GB2577208A (en) * | 2017-05-23 | 2020-03-18 | Ibm | Semiconductor device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | Recent progress in fabrication techniques of graphene nanoribbons | |
| Ha et al. | Highly stable hysteresis-free carbon nanotube thin-film transistors by fluorocarbon polymer encapsulation | |
| Jie et al. | Surface‐Dominated Transport Properties of Silicon Nanowires | |
| Cao et al. | Current trends in shrinking the channel length of organic transistors down to the nanoscale | |
| Rouhi et al. | Fundamental limits on the mobility of nanotube-based semiconducting inks | |
| US8946683B2 (en) | Medium scale carbon nanotube thin film integrated circuits on flexible plastic substrates | |
| Cao et al. | Bilayer Organic–Inorganic Gate Dielectrics for High‐Performance, Low‐Voltage, Single‐Walled Carbon Nanotube Thin‐Film Transistors, Complementary Logic Gates, and p–n Diodes on Plastic Substrates | |
| US8951609B2 (en) | CNT devices, low-temperature fabrication of CNT and CNT photo-resists | |
| Wang et al. | Large-area flexible printed thin-film transistors with semiconducting single-walled carbon nanotubes for NO2 sensors | |
| Wang et al. | Chemical self-assembly of graphene sheets | |
| CN101404322B (zh) | 一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法 | |
| US20080303029A1 (en) | Structure, Semiconductor Device, Tft Driving Circuit, Panel, Display and Sensor for Maintaining Microstructure, Methods for Fabricating the Structure, the Semiconductor Device, the Tft Driving Circuit, the Panel, the Display and the Sensor | |
| TWI544645B (zh) | 薄膜電晶體及其製備方法 | |
| Kwon et al. | Non-lithographic direct patterning of carbon nanomaterial electrodes via electrohydrodynamic-printed wettability patterns by polymer brush for fabrication of organic field-effect transistor | |
| Fu et al. | Carbon nanotube transistors with graphene oxide films as gate dielectrics | |
| KR102023111B1 (ko) | 용액 공정 처리된 탄소/불소중합체 전계 효과 트랜지스터와 그 전하 전이 개선 방법 | |
| KR101168667B1 (ko) | 단일벽 탄소나노튜브의 선택적 조립 방법 및 이를 이용한 단일벽 탄소나노튜브 다중 채널을 갖는 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법 | |
| CN101075637A (zh) | 一种基于硼碳氮纳米材料的场效应晶体管及其制备方法 | |
| CN108735820B (zh) | 以光刻胶为栅绝缘层的碳纳米管薄膜晶体管及制作和应用 | |
| CN105609636A (zh) | 定向单壁碳纳米管阵列为沟道的场效应晶体管及制作方法 | |
| Zhang et al. | Carbon nanotubes: from growth, placement and assembly control to 60mV/decade and sub-60 mV/decade tunnel transistors | |
| Jiang et al. | Optoelectronic characterisation of an individual ZnO nanowire in contact with a micro-grid template | |
| He et al. | Controlled preparation and device application of sub-5 nm graphene nanoribbons and graphene nanoribbon/carbon nanotube intramolecular heterostructures | |
| CN108987576B (zh) | 碳纳米管复合薄膜的制备方法、碳纳米管tft及其制备方法 | |
| Haider | Design and Fabrication of A Carbone Nanotube Field Effect Transistor Based on Dielectrophoresis Technique and Low Cost Photolithography |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20071121 |