[發明專利]一種懸空碳納米管場效應晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 202110548713.1
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113193115B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 馮哲圣;廖小涵;黃燕;王焱
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H10K10/46
• 分類號: H10K10/46;H10K71/00;H10K71/13;H10K85/20;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 成都正煜知識產權代理事務所(普通合伙) 51312
• 代理人: 李龍

本發明屬于半導體器件技術領域，具體涉及一種懸空碳納米管場效應晶體管及其制備方法。本發明目的在于解決碳納米管場效應管由于噴印碳納米管墨水作為一種非接觸式的直接印制方式，涂覆的溝道材料與兩電極的接觸電阻較大的問題。該器件自下而上包括背柵電極，高κ柵介質層，漏電極，源電極以及有源溝道層。主要方案包括在潔凈的基板正面制備漏電極、源電極以及反面的背柵電極，并通過電子束蒸鍍法制備納米銀導電薄膜，并噴印一層半導體性碳納米管形成晶體管的有源溝道層，最后通過高溫退火處理燒結納米銀薄膜使溝道層的納米銀薄膜坍縮，形成懸空的碳納米管場效應晶體管。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，具體涉及一種懸空碳納米管場效應晶體管及其制備方法。

背景技術

半個世紀以來，以硅基作為基礎的半導體器件得到了飛速發展，但隨著單位面積上集成的器件密度不斷增加，半導體工藝正在接近其尺寸的理論極限。因此擁有非凡理化性能的納米材料引起人們的廣泛關注。納米材料的家族十分龐大，碳納米管在其中是典型的一維納米材料。

半導體性碳納米管(s-SWCNTs)具有高載流子遷移率(室溫下可達1000cm²/(V^-1·s^-1))、窄帶隙、優良的導熱性、穩定的化學性質等優勢。且因為其易于墨水化，后處理溫度低等特點，成為構建印制場效應晶體管的理想半導體溝道材料。將單壁碳納米管網絡通過溶液轉移到晶體管的溝道區域，可以簡化器件溝道的制備工藝，脫離傳統光刻技術并有效地與印刷電子技術兼容。目前已有很多研究工作嘗試將碳納米管制備成可印制的墨水，通過噴墨打印、卷對卷柔版印刷等印刷技術將碳納米管轉印到溝道區域并與源、漏電極形成良好的歐姆接觸，獲得壓控敏感、開關性能良好的場效應晶體管。

本發明中選用噴墨打印而不采用傳統光刻工藝。對比光刻技術的繁復流程：光刻、顯影、蝕刻、脫模等處理，如今噴墨打印同樣成為了聚合物沉積領域的核心技術，它簡單，快速，工藝集成度高。噴墨印刷無需接觸、無需壓力、無需印版，只需將電子計算機中存貯的信息輸入噴墨印刷機，即可控制印刷過程。同時程控的精準性使得材料損耗能夠在極大程度上得到控制，并可調整噴印距離在最大程度上保護基板。

然而截至目前，碳納米管場效應管仍存在以下問題：

1)現有的工藝無法實現單一導電特性的納米管的制備，獲得的碳納米管是由不同管徑、手性分布的混合物，其中既含有金屬性也含有多種手性的半導體性碳納米管，而器件制造通常只需要單一導電特性的碳納米管；

2)由于噴印碳納米管墨水作為一種非接觸式的直接印制方式，涂覆的溝道材料與兩電極的接觸電阻較大；

4)與傳統的晶體管制造業在材料的選擇上、晶體管的布局結構上、制備工藝上的迥乎不同使其器件制造工藝無法與傳統工藝互相整合與兼容，因此工藝過程冗長復雜，最終將導致晶體管的電學特性較差。

發明內容

本發明的目的在于解決碳納米管場效應管由于噴印碳納米管墨水作為一種非接觸式的直接印制方式，涂覆的溝道材料與兩電極的接觸電阻較大的問題。

針對現有碳納米管場效應管制備技術中存在的問題，本發明提供了一種懸空碳納米管場效應晶體管及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1、對柔性基板材料進行超聲清洗，并通過等離子體處理基板表面，于基板表面制備晶體管的源電極、漏電極、背柵電極；

步驟2、采用低功率電子束蒸發法在基板正面的源電極、漏電極上蒸鍍納米銀導電薄膜；

步驟3、制備用于噴印的半導體性碳納米管分散液，使用噴墨打印設備將半導體性碳納米管分散液均勻印制在步驟2得到的納米銀導電薄膜上，使得在納米銀導電薄膜上形成碳納米管有源半導體溝道層；

步驟4、經高溫退火處理后，納米銀導電薄膜燒結坍縮并趨向于附著在電極表面形成開放式孔洞，碳納米管薄膜形成懸空的隨機網絡結構，完成懸空碳納米管場效應晶體管的制備。