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

摘要

一种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，在位于基底上的有序单壁碳纳米管阵列层的两侧通过光刻曝光分别制成源、漏极，再在顶部依次光刻曝光和磁控溅射得到栅极和介质层，实现场效应晶体管的制备。本发明通过改变定向排布复合碳纳米管薄膜的密度、器件的结构尺寸以及掺杂参数，可以自由实现对场效应晶体管性能进行调控。

说明书

技术领域

本发明涉及一种场效应晶体管制作技术，具体是一种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。

背景技术

碳纳米管是一种具有优异的机械性能和电子性能的一维纳米材料，被认为是制作未来纳 米器件的首选。目前，基于单根碳纳米管的场效应已经被成功制作出来。然而，在实际应用中， 将单根半导体性的碳纳米管制备的场效应晶体管的工艺较为复杂，器件的电流性能也受材料本 身尺寸的限制。定向排布的碳纳米管阵列能够实现高导通电流。因此在实际应用中定向排布的 碳纳米管阵列可以被用来替代单根碳纳米管场效应晶体管。

碳纳米管阵列薄膜可以通过在衬底上定向自组装SWCNT阵列，定向排布的碳纳米管阵 列也能够通过双向电泳排布实现场效应晶体管沟道。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101540285A，公开(公告)日 2009.09.23，公开了一种纳米电子器件的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，步骤为：在 表面含有绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出源漏电极图案，将碳纳米管通过交变电场双向电 泳的方法沉积在源漏电极之间形成碳纳米管薄膜，然后用等离子体刻蚀的方法选择性去除沉积 的碳纳米管中的金属性碳纳米管，得到具有良好性能的碳纳米管薄膜场效应晶体管；另一种为： 将碳纳米管通过自组装的方法沉积在表面含有绝缘层的硅片上形成碳纳米管薄膜，然后采用光 刻技术在碳纳米管薄膜上制作出源漏电极图案，接着用等离子体刻蚀的方法选择性去除沉积的 碳纳米管中的金属性碳纳米管，得到碳纳米管薄膜场效应晶体管，但是该种无序网状薄膜的电 导通能力受到一定的限制。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种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，该器件具有良好的整流特性和性能稳定性。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明涉及一种定向单壁碳纳米管阵列为沟道的场效应晶体管的制作方法，在位于基底 上的有序单壁碳纳米管阵列层的两侧通过光刻曝光分别制成源、漏极，再在顶部依次光刻曝光 和磁控溅射得到栅极和介质层，实现场效应晶体管的制备。

所述的有序单壁碳纳米管阵列层，首先使用H₂SO₄和H₂O₂混合液先对基底表面进行亲 水化处理，然后用APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)溶液浸泡表面亲水化处理后的基底，再将处 理后的基底浸泡在SWCNT水溶液中，通过SWCNT和APTES上的氨基基团之间的静电力作用 使得SWCNT被自组装在基底上。

所述的APTES溶液中APTES和乙醇的体积比为1：5。

所述的SWCNT水溶液是指：浓度分别为0.5g/mL的单壁碳纳米管、0.1wt％的胆酸钠(SC) 和0.9wt％的十二烷基硫酸钠(SDS)。

所述的碳纳米管，直径为0.9～1.8nm，长度为2～5μm。

所述的基底采用但不限于具有SiO₂热氧化层的硅片。

所述的源、漏极以及栅极，优选为Au、Pt、Pd、Ti或Cu制成。

所述的源、漏极优选为对电极，其宽度，即对电极间距离为0.5～5μm。

所述的栅极的宽度为0.5～5μm，厚度为100～500nm。

所述的光刻曝光，其尺寸可以根据所用无定形碳纳米管薄膜沟道尺寸进行调节，一般为 (0.5～5)μm*(1～3)μm。

所述的光刻曝光，采用两层光刻胶实现，其中：第一层分子量495的PMMA光刻胶， 厚度约为200nm，第二层分子量950的PMMA光刻胶，厚度约为100nm。

所述的光刻胶，优选在每层旋涂后在高温下进行烘胶。

所述的介质层优选为二氧化硅、氧化铝或氧化铪，其厚度为50～200nm。

本发明涉及上述方法制备得到的定向单壁碳纳米管阵列为沟道的场效应晶体管，由上而 下依次包括介质层、栅极层和源漏极层，其中：源漏极层中的源极和漏极之间设有有序单壁碳 纳米管阵列层。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用定向排布碳纳米管薄膜制备得到场效应晶体管，器件具有 优良的开关特性，在室温空气中性能稳定。本发明通过改变无序网状碳纳米管薄膜与定向排布 碳纳米管阵列的密度、器件的结构尺寸，可以自由实现对场效应晶体管性能的调控。

附图说明

图1为实施例1制备定向排布碳纳米管为沟道的场效应晶体管的结构示意图；

图中：定向排布碳纳米管层1、源漏极2、介质层3、顶栅极4、基底5。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

第一步，利用静电自组装技术在作为基底的硅片表面自组装一层密度为1μm^-2的定向排 布碳纳米管层，具体为：

1.1)使用H₂SO₄和H₂O₂混合液先对基底表面进行亲水化处理；

所述的混合液中，H₂SO₄和H₂O₂的体积比为1:3。

所述的亲水化处理在45℃环境下进行，具体为浸泡30min。

1.2)使用APTES溶液浸泡表面亲水化处理后的基底；

所述的APTES溶液中APTES和乙醇的体积比为1：5。

所述的浸泡在室温下进行，浸泡时间为20min。

1.3)将处理后的基底浸泡在SWCNT水溶液中，通过SWCNT和APTES上的氨基基团之 间的静电力作用使得SWCNT被自组装在基底上。

所述的浸泡在25℃环境下进行，浸泡1-12小时。

第二步，如图1所示，利用紫外光刻电子束光刻和磁控溅射技术在定向排布碳纳米管层 的两端制作Au对称电极，电极宽度为2μm，对电极间距离为1μm。

所述的Au对称电极，优选利用离子刻蚀去除定向排布网络碳纳米管沟道旁侧多余的碳 纳米管。

第三步，在所得器件基底上涂敷电子束光刻胶，利用电子束光刻技术对碳纳米管的顶端 进行开窗口曝光，利用磁控溅射技术在碳管薄膜沟道上溅射50nm的50nm的Au层和SiO₂介 质层，形成顶栅电极。

所述的窗口，尺寸为2μm*1μm；窗口外未曝光的部分将受到光刻胶PMMA的保护，窗 口内碳纳米管薄膜沟道被曝光的部分经显影和定影之后将被暴露在空气中。

将图1中得到的碳纳米管场效应晶体管在黑暗的条件下进行I-V性能测试，施加源漏电 压+1V，测量栅电压范围为-20V到+20V。结果表明随着负栅电压的增大，器件电流以指数的方 式增加；在施加正栅电压时，器件几乎没有电流，器件表现出典型的p型场效应晶体管的开关 特性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。