双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管及制备工艺

摘要

本发明涉及双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管及制备工艺。采用“由下至上”微纳制造技术生长制作工艺方式，结合沉积方法及模板－组装的集成技术来构筑所需的纳米结构管场效应晶体管，实现纳米结构的管场效应晶体管自下而上制造；借助纳米压印、反应离子刻蚀等手段获得特定纳米结构及花样的生长模板，再利用生长等手段在模板中实现纳米结构的可控生长与组装，实现在柔性衬底上制备单壁碳纳米管随机网络沟道电导和沟道导电类型可调双栅结构场效应晶体管。具有加工制备方法简单，可实现批量规模生产，有效克服了单根纳米管制备的器件人工组装、个体差异、器件性能不一致、定位难以及生产效率低等缺点。

说明书

技术领域

本发明属于柔性纳米电子学技术领域，具体涉及一种双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的结构设计与制备技术。

技术背景

传统的“由上至下”( top-down) 的工艺技术是在50 年代后半期硅平面晶体管技术和更早的金属真空镀膜等技术基础上发展起来的。主要结合硅片制备、掩膜技术、半导体掺杂技术等技术，以光刻和等离子体刻蚀等方法为基础的半导体器件的制作方法。一般来说，都是在已经准备好的材料层上，通过刻蚀和沉积等方式，制作出所需要的图案。因此被称为“由上至下”(top-down) 方法。目前，所有大规模集成电路、电子芯片和电子元件等的制作均是使用的这种方法。其制作工艺的精确度较高，可达到亚微米级，且器件定位准确。但是由于工艺本身的限制，这种方法也有不可逾越的障碍。如：由于光刻工艺使用光为主要工具，随着器件的减小，光的衍射和干涉等特性进一步表现出来，因此加工的精确度难以进一步提高；半导体器件和集成电路的复杂程度不断提高，使制作过程越来越复杂，制作成本也随之提高。目前，一般的集成电路都要经过十次以上的光刻才能完成；传统技术受工艺的限制，无法在器件中加入新的材料，如纳米线、纳米管等，阻碍了集成技术的进一步发展。

随着纳米技术的发展，新的工艺技术也随之产生。纳米器件的“由下至上”(bottom-up) 制作工艺，是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的。“由下至上”(bottom-up) 制作工艺是指在衬底之上加上纳米材料，如各种材料的纳米线、纳米管等，再在纳米材料的基础之上制作电极等结构，或者制作好电极后，接放置上纳米线、纳米管等纳米材料从而制作成具有一定功能的电子器件。这种工艺是将已经成型的材料放在衬底之上，不同于传统的“由上至下”(top-down) 工艺。形象地说就像垒积木一样，将材料一层层搭建到一起。

事实上，如果我们用单根纳米管构建晶体管，虽然理论上它的性能可以轻松超过现今硅基晶体管的性能。但是单根纳米管难普及存在一个主要障碍即其制造工艺难度极大。此外，单根纳米管制备的器件往往需要人工组装，因此可能要用几天的时间才能制作完成，大大降低了生产效率。另外，这类器件还存在着个体差异的问题，各纳米管的形状和构型总是略有差别，因此不同器件的性能通常也不一致。因此，这类单根碳纳米管不会取代硅和铜。尽管如此，由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色，而且它的尺寸只有分子大小，如果定位等问题可以得到解决，纳米电子器件有望将集成度提高至1012/cm²。

近年来，科学家一直在全力探索如何制造成本低廉、功能多样的柔性电子产品，碳纳米管在电子领域的迅速崛起恰好为这一研究方向注入了新的活力。由于碳纳米管具有独特的形状和电子性能，极有希望成为未来电子元件制造的主要原材料。而由碳纳米管制作的柔性、透明导电涂层有望加快柔性显示器和电子纸张的开发进程。

发明内容

为了克服现有纳米器件结构设计和制备技术的不足，本发明提供一种性能优秀的双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管，本发明的另一目的是，为了实现批量规模生产，提供双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的制备工艺。

实现上述目的的技术解决方案如下。

双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三层：外层12、中层11和内层10；所述内层10中部设有底栅电极9；所述底栅电极9中部向上呈阶梯状的拱形，底栅电极9上部依次设有底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7，所述底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7的形状与底栅电极9相同，即中部向上呈阶梯状的拱形；所述碳纳米管随即网络薄膜层7上部呈阶梯状的拱形的两侧分别设有漏电极5和源电极6；所述漏电极5和源电极6的顶部设有二氧化铪薄膜层4；与漏电极5对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有漏电极引线13，与源电极6对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有源电极引线16；与碳纳米管随即网络薄膜层7对应的二氧化铪薄膜层4顶部依次设有顶栅电极3和顶栅电极引线15；所述漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16相互平行；底栅电极9的电极引线为14位于漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16的后部，且垂直于漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16。

所述外层12、中层11和内层10材料分别为聚酰亚胺（Polyimide，PI）、聚氨酯(Polyurethane, PU)、聚酰胺酸（Polyamic Acid, PAA）；所述顶栅电极3材料为硅；所述底栅电极9材料为金（Au）；所述漏电极5和源电极6材料分别为金，厚度为30nm；所述底栅绝缘层8材料为二氧化铪（HfO₂）；所述二氧化铪薄膜层4的厚度为10nm以内。

制备双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的工艺包括以下操作步骤：

（1）在硅基上重掺杂上层硅，所述硅基包括衬底层1和二氧化硅层（SiO₂）2，其中衬底层1材料为硅（Si）；上层硅位于二氧化硅层（SiO₂）2顶部，利用光刻机光刻上层硅形成顶栅电极3；

（2）在顶栅电极3和二氧化硅层2上，采用脉冲激光沉积设备（PLD）制备有效氧化层厚度在10nm以内的二氧化铪（HfO₂）绝缘层4；脉冲激光沉积设备（PLD）上的二氧化铪（HfO₂）陶瓷靶纯度为99.99％，脉冲激光沉积设备的本底真空度为2×l0^-4Pa，沉积时通入纯度为99.99％的氧气，控制沉积真空度为1.5×10^-1Pa；沉积时靶和硅基均做自转，其转速均为8r/min，激光频率为5Hz，每个脉冲能量为300mJ，沉积态的二氧化铪（HfO₂）薄膜经温度500℃、氮气（N2）管式炉热退火，时间为30分钟；

（3）在二氧化铪绝缘层4上，采用磁控溅射沉积设备和光刻设备制备厚30nm的金材料的源电极5、漏电极6；首先在二氧化铪绝缘层4上沉积金薄膜，其中磁控溅射设备的金靶的纯度为99.99%，磁控溅射沉积设备的本底真空度为2×l0^-4Pa，沉积时通入纯度为99.99％的氧气，控制沉积真空度为0.5-2Pa之间，电源功率为100w；接着，将沉积的金薄膜利用光刻机分别制备源电极5、漏电极6，光刻源电极5、漏电极6的工艺参数：首先将具有金薄膜的硅基置于匀胶机上，接着分别采用低速和高速转动匀胶机，将光刻胶均匀分布于金薄膜表面，其中低速为：600 r/min，高速为：3000 r/min；最后将具有金薄膜的硅基烘干后曝光显影并刻蚀，曝光时间为30s，显影时间为10s，刻蚀时间为8s；

（4）按质量体积比20mg：50ml取碳纳米管加入聚乙烯醇或乙醇中，在搅拌条件下混合100～150min后，形成稳定的分散悬浮液；利用匀胶机将碳纳米管悬浮液均匀旋涂于漏电极（Au）5和源电极（Au）6以及没有被漏电极5和源电极6覆盖的二氧化铪绝缘层4之上，匀胶机转速为500rpm/min；经干燥、退火等工艺得到单壁碳纳米管随机网络层7；所述碳纳米管的直径为1～5nm，长度为10-30um；

（5）将具有单壁碳纳米管随机网络层7的硅基，首先采用相移光刻设备进行光刻，将漏电极（Au）5、源电极（Au）6和二者之间部分的单壁碳纳米管随机网络层7经曝光显影使其暴露在外，接着采用反应离子刻蚀设备将漏电极（Au）5、源电极（Au）6和二者之间部分的单壁碳纳米管随机网络层7横向切成线条阵列，相邻线条之间的间距为5μm，使单壁碳纳米管随机网络层7中相邻线条之间的单壁碳纳米管彼此分开，从而避免短路；

（6）在单壁碳纳米管随机网络薄层7上利用匀胶机均匀旋涂光刻胶保护层，光刻胶材料为AZ 5214，采用氧反应离子刻蚀设备分别去除漏电极（Au）5外侧和源电极（Au）6外侧的单壁碳纳米管随机网络薄层7，使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外；接着利用丙酮和异丙醇去除剩余单壁碳纳米管随机网络薄层7上的光刻胶保护层；

（7）在单壁碳纳米管随机网络薄层7和暴露在外的部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4上，采用脉冲激光沉积设备（PLD）制备有效氧化层厚度在10nm以内二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8，制备二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8的具体工艺参数和步骤与步骤（2）相同；

（8）在二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8上，采用电子束蒸发沉积设备沉积30nm的金材料层，光刻形成底栅电极9，底栅电极9与漏电极（Au）5、源电极（Au）6上下相对应，光刻底栅电极9的具体工艺参数与步骤（3）相同；底栅电极9形成的具体操作条件是：在电子束蒸发设备中放入5g左右的金粒，待电子束蒸发沉积设备的真空度为10^-4Pa时，打开设备电源，蒸发速度保持在0.5nm/s，直至沉积结束；

（9）采用湿法腐蚀设备去除二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8两侧的部分，使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外；

（10）在底栅电极9和步骤（10）中暴露在外的部分漏电极5和部分源电极6以及部分二氧化铪绝缘层4之上，以转速1500 r.p.m，时间60s，旋涂聚酰胺酸（Polyamic Acid, PAA）层，即为柔性基底的内层10，在温度150℃条件下加热烘干；

（11）在柔性基底的内层10上，以转速5000 r.p.m,，时间60s，旋涂聚氨酯(Polyurethane, PU) 层，即为柔性基底的中层11，利用键合设备给聚氨酯(Polyurethane, PU) 层即柔性基底的中层11施加3×10^-6Torr压力，时间10min，去除中层11内的空气泡；在温度150℃条件下加热烘干；

（12）将聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层覆盖于聚氨酯(Polyurethane, PU) 即柔性基底的中层11 上，聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层即为柔性基底的外层12，在250℃～270℃条件下加热，时间10min，利用键合设备给聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层即柔性基底的外层12施加3×10^-6Torr压力，时间10min，使二者牢固结合；

（13）借助尖嘴钳和薄刀片将硅基剥离，使顶栅电极3暴露在外，利用真空炉，在温度300℃～350℃、真空度为2×l0^-4Pa条件下，将柔性基底的内层10、中层11和外层12固化；

（14） 采用反应离子刻蚀（RIE）反应离子刻蚀干法设备，在顶栅电极3上引出顶栅电极引线15，在顶栅电极3两侧的二氧化铪绝缘层4上分别开孔引出漏电极引线13和源电极引线16，且顶栅电极引线15、漏电极引线13和源电极引线16相互平行；在顶栅电极引线15、漏电极引线13和源电极引线16后侧的二氧化铪绝缘层4上开孔引出底栅电极14，制得双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管。

本发明的双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管，在顶栅压不变情况下，通过改变底栅栅压的大小使得沟道电导可调，在底栅栅压不变情况下，通过改变顶栅栅压的极性使得沟道导电类型可调。本发明即可制备在硬质衬底也可制备在柔性衬底上，可以进一步构建逻辑门电路。由于采用随机网络做为导电沟道，加工制备方法简单，便于批量规模加工，同时有效克服了单根纳米管制备的器件往往需要人工组装、个体差异、器件性能通常不一致、定位难以及生产效率低等缺点。可应用于纳米集成电路。该器件在纳米电子学和柔性纳米电子学领域有广泛的应用价值。

本发明的工艺：采用生长等方式，结合沉积方法及模板－组装的集成技术来构筑所需的纳米结构，实现纳米结构的自下而上制造；借助纳米压印、反应离子刻蚀等手段获得特定纳米结构及花样的生长模板，再利用生长等手段在模板中实现纳米结构的可控生长与组装，实现自上而下和自下而上微纳制造技术的融合。

本发明双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的电流的开关比值理论上大于10⁵，且底栅极所加电压为正向电压，顶栅极的电压在0―-12V之间变化时，漏电极和源电极之间的电流可以实现有效夹断；底栅极为负向电压，顶栅极电压在0―-12V，导电沟道电导增强。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为在硅基上重掺杂上层硅示意图。

图3为制成顶栅电极3示意图。

图4为制备二氧化铪（HfO₂）绝缘层4示意图。

图5为制备漏电极5、源电极6示意图。

图6为制备碳纳米管随即网络薄膜层7示意图。

图7为使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外示意图。

图8为制备二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8示意图。

图9为光刻形成底栅电极9示意图。

图10为湿法腐蚀去除二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8两侧部分的示意图。

图11为制备柔性基底的内层10的示意图。

图12为制备柔性基底的中层11的示意图。

图13为制备柔性基底的外层12的示意图。

图14为去除硅基的示意图。

图15为设有漏电极引线、底栅电极引线、顶栅电极引线和源电极引线示意图。

图1-15中序号：衬底层1、二氧化硅层2、顶栅电极3、二氧化铪薄膜层4、漏电极5、源电极6、碳纳米管随即网络薄膜层7、底栅绝缘层8、底栅电极9、内层10、中层11、外层12、漏电极引线13、底栅电极引线14、顶栅电极引线15、源电极引线16。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例：

参见图1，双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三层：外层12、中层11和内层10；所述内层10中部设有底栅电极9；所述底栅电极9中部向上呈阶梯状的拱形，底栅电极9上部依次设有底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7，所述底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7的形状与底栅电极9相同，即中部向上呈阶梯状的拱形；所述碳纳米管随即网络薄膜层7上部呈阶梯状的拱形的两侧分别设有漏电极5和源电极6；所述漏电极5和源电极6的顶部设有二氧化铪薄膜层4；与漏电极5对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有漏电极引线13，与源电极6对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有源电极引线16；与碳纳米管随即网络薄膜层7对应的二氧化铪薄膜层4顶部依次设有顶栅电极3和顶栅电极引线15；所述漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16相互平行；底栅电极9的底栅电极引线为14位于漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16的后部，且垂直于漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16。

双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的制备工艺包括以下操作步骤：

（1）在硅基上重掺杂上层硅，所述硅基包括衬底层1和二氧化硅层（SiO₂）2，其中衬底层1材料为硅（Si），且其晶向为（100）方向；上层硅同样为位于二氧化硅层（SiO₂）2顶部，利用BG-401A型光刻设备光刻上层硅形成顶栅电极3；见图2和图3。

（2）在顶栅电极3和二氧化硅层2上，采用PLD-450型号的脉冲激光沉积设备（PLD）制备有效氧化层厚度在10nm以内的二氧化铪（HfO₂）绝缘层4，见图4。PLD-450脉冲激光沉积设备（PLD）上的二氧化铪（HfO₂）陶瓷靶纯度为99.99％，PLD-450脉冲激光沉积设备的本底真空度为2×l0^-4Pa，沉积时通入纯度为99.99％的氧气，控制沉积真空度为1.5×10^-1Pa；沉积时靶和硅基均做自转，其转速均为8r/min，激光频率为5Hz，每个脉冲能量为300mJ，沉积态的二氧化铪（HfO₂）薄膜经温度500℃、氮气（N2）气氛下，在OTF-1200X-4-RTP型号的管式炉中热退火，时间为30分钟；二氧化铪绝缘层4经退火处理，可消除其部分晶格缺陷。

（3）在二氧化铪绝缘层4上，采用JGP800型磁控溅射沉积设备和BG-401A型光刻设备制备厚30nm的金材料的源电极5、漏电极6；见图5。首先在二氧化铪绝缘层4上沉积金薄膜，其中JGP800型磁控溅射设备的金靶的纯度为99.99%，JGP800型磁控溅射沉积设备的本底真空度为2×l0^-4Pa，沉积时通入纯度为99.99％的氧气，控制沉积真空度为0.5-2Pa之间，电源功率为100w；接着，将沉积的金薄膜利用BG-401A型光刻设备分别制备源电极5、漏电极6，光刻源电极5、漏电极6的工艺参数：首先将具有金薄膜的硅基置于KW-4A型匀胶机上，接着分别采用低速和高速转动匀胶机，将光刻胶均匀分布于金薄膜表面，其中低速为：600 r/min，高速为：3000 r/min；最后将具有金薄膜的硅基烘干后曝光显影并刻蚀，曝光时间为30s，显影时间为10s，刻蚀时间为8s；选择金材料作为漏电极5和源电极6的电极材料，是因为金材料的功函数与单壁碳纳米管的功函数差别相对较小，这样可以降低金属电极与单壁碳纳米管的接触势垒。

（4）按质量体积比为：20mg：50ml取碳纳米管加入聚乙烯醇或乙醇中，在搅拌条件下混合100～150min后，形成稳定的分散悬浮液；利用匀胶机将碳纳米管悬浮液均匀旋涂于漏电极（Au）5和源电极（Au）6以及没有被漏电极5和源电极6覆盖的二氧化铪绝缘层4之上，KW-4A型匀胶机转速为500rpm/min；经干燥、退火等工艺得到单壁碳纳米管随机网络层7；所述碳纳米管的直径为1～5nm，长度为10-30um。

（5）将具有单壁碳纳米管随机网络层7的硅基，首先采用BG-401A型光刻设备进行光刻，将漏电极（Au）5、源电极（Au）6和二者之间部分的单壁碳纳米管随机网络层7经曝光显影使其暴露在外，见图7。接着采用反应离子刻蚀设备将漏电极（Au）5、源电极（Au）6和二者之间部分的单壁碳纳米管随机网络层7横向切成线条阵列，相邻线条之间的间距为5μm，使单壁碳纳米管随机网络层7中相邻线条之间的单壁碳纳米管彼此分开，从而避免短路。

（6）在单壁碳纳米管随机网络薄层7上利用匀胶机均匀旋涂光刻胶保护层，光刻胶材料为AZ 5214，采用氧反应离子刻蚀设备分别去除漏电极（Au）5外侧和源电极（Au）6外侧的单壁碳纳米管随机网络薄层7，使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外；接着利用丙酮和异丙醇去除剩余单壁碳纳米管随机网络薄层7上的光刻胶保护层。

（7）在单壁碳纳米管随机网络薄层7和暴露在外的部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4上，采用PLD-450型脉冲激光沉积设备（PLD）制备有效氧化层厚度在10nm以内二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8，见图8。制备二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8的具体工艺参数和步骤与步骤（2）相同。

（8）在二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8上，采用DZS-500型电子束蒸发沉积设备沉积30nm的金材料层，光刻形成底栅电极9，见图9。底栅电极9与漏电极（Au）5、源电极（Au）6上下相对应，光刻底栅电极9的具体工艺参数与步骤（3）相同；底栅电极9形成的具体操作条件是：在电子束蒸发设备中放入5g左右的金粒，待电子束蒸发沉积设备的真空度为10^-4Pa时，打开设备电源，蒸发速度保持在0.5nm/s，直至沉积结束。

（9）采用湿法腐蚀设备去除二氧化铪（HfO₂）顶栅绝缘薄膜层8两侧的部分，使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外，见图10。

（10）在底栅电极9和步骤（10）中暴露在外的部分漏电极5和部分源电极6以及部分二氧化铪绝缘层4之上，以转速1500 r.p.m，时间60s，旋涂聚酰胺酸（Polyamic Acid, PAA）层，即为柔性基底的内层10，见图11，在温度150℃条件下加热烘干。

（11）在柔性基底的内层10上，以转速5000 r.p.m,，时间60s，旋涂聚氨酯(Polyurethane, PU) 层，即为柔性基底的中层11，见图12，利用HPT－1000型键合设备给聚氨酯(Polyurethane, PU) 层即柔性基底的中层11施加3×10^-6Torr压力，时间10min，去除中层11内的空气泡；在温度150℃条件下加热烘干。

（12）将聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层覆盖于柔性基底的中层11上，聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层即为柔性基底的外层12，见图13，在250℃～270℃条件下加热的同时，并利用HPT－1000型键合设备给聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜层即柔性基底的外层12施加3×10^-6Torr压力，时间10min，使二者牢固结合。

（13）借助尖嘴钳和薄刀片将硅基剥离，使顶栅电极3暴露在外，利用GSL真空炉，在温度300℃～350℃、真空度为2×l0^-4Pa条件下，将柔性基底的内层10、中层11和外层12固化。

（14） 采用ME-3A型反应离子刻蚀（RIE）设备，在顶栅电极3上引出顶栅电极引线15，在顶栅电极3两侧的二氧化铪绝缘层4上分别开孔引出漏电极引线13和源电极引线16，且顶栅电极引线15、漏电极引线13和源电极引线16相互平行；在顶栅电极引线15、漏电极引线13和源电极引线16后侧的二氧化铪绝缘层4上开孔引出底栅电极14，制得双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管。