[发明专利]一种双材料欠叠异质栅结构的碳纳米管场效应管

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管场效应管领域，尤其是在碳纳米管器件的结构对器件性能的优化方面。

 

背景技术

自1991年Iijima[ Iijima S . Helical Microtubules of Graphitic Carbon[J]. Nature, 1991, 354(7): 56-58.]发现碳纳米管以来，在理解其基础属性以及研究其潜在的工程应用方面已取得重要进展[Baughman R H , Zakhidov A A , Heer W A D . Carbon nanotubes - the route toward applications[J]. Science, 2002, 297(5582): 787-792.]。碳纳米管(CNT) 是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。它的特殊结构，使其具备独特的的电学、热学、力学等性质，在纳米电子器件、光电材料领域有着重要和广阔的应用前景。不同几何结构的碳纳米管具有金属型或半导体型的能带结构，金属型碳纳米管可以用作互连线，具有热导率高、损耗小的优点；而半导体型碳纳米管可以制作有源器件，比如场效应管。这是因为碳纳米管与通常硅基材料相比，载流子速度十分高，能增大电流驱动能力、提高工作速度和集成度以及削减功耗。这样可以达到在通常半导体里难以实现的高性能。例如，使用碳纳米管的高频低噪声晶体管，可以实现太赫兹级的截止频率[Lu R F, Lu Y P , Lee S Y, et al. Terahertz response in single-walled carbon nanotube transistor: a real-time quantum dynamics simulation[J]. Nanotechnology, 2009, 20(50): 505401(1 - 4).]。

早在1998年荷兰代尔夫特理工大学Tran S J小组成功地制作了第一个工作在室温下碳纳米管场效应管(CNTFET)[ Tans S J, Verschueren A R M, Dekker C. Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube[J]. Nature, 1998, 393(7): 49 - 52.]，但国际上基于碳纳米管构建的场效应管仍然处于实验室研究阶段。目前占主导地位的共有两种类型的碳纳米管场效应管（CNTFET） 模型，一种是肖特基势垒 CNTFET[Hazeghi A, Krishnamohan T, Wong, H. Schottky-barrier carbon nanotube field-effect transistor modeling[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2007, 54(3): 439 - 445.]，在这种结构中，由于碳纳米管的功函数和两边电极的功函数不一样，在碳纳米管两端与金属接触的地方形成肖特基势垒。通过栅压就能改变该势垒，从而控制相应隧穿电流的大小，由于肖特基碳纳米管场效应管表现出双极效应，从而大大降低器件性能。第二种是类 MOSFET （金属氧化物半导体场效应管）型碳纳米管场效应管[Orouji A A, Arefinia Z. Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effect transistor[J]. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 2009, 41(10): 552 - 557.]，其源极、漏极碳纳米管部分重掺杂，并与电极相连，电极金属与碳纳米管之间制成欧姆接触，掺杂 CNT 的功函数和沟道 CNT 的功函数不同，能带弯曲后会在沟道内形成势垒。

总而言之， 碳纳米管凭借其优异的电学特性在未来纳米电子应用领域有着广阔的前景。不过由于传统的碳纳米管场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应，从而影响器件性能。本工作从改变器件结构的角度出发，提出一种适用于改善碳纳米管场效应管性能的新型结构。

 

发明内容