碳纳米管多沟道场效应晶体管研究-中国学位与研究生教育信息网
碳纳米管场效应晶体管电子输运特性的研究
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碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化
碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化近年来，随着纳米科技的快速发展，碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）作为一种具有巨大潜力的纳米电子器件引起了广泛关注。
CNT-FET以其优异的电学性能和独特的结构特点，被认为是下一代高性能晶体管的有力竞争者。
本文将探讨碳纳米管场效应晶体管的特性研究与优化。
首先，碳纳米管的材料特性使其成为理想的电子输运通道。
碳纳米管具有优异的载流子迁移率和高电导率，这使得CNT-FET在高频电子器件中具有巨大的应用潜力。
研究人员通过调控碳纳米管的直径、手性和结构等参数，可以实现对CNT-FET电学性能的精确调控。
例如，通过控制碳纳米管的直径，可以实现对CNT-FET的载流子迁移率和开关速度的调节，从而优化其性能。
其次，碳纳米管场效应晶体管的结构特点也为其性能的优化提供了可能。
CNT-FET的结构由源极、漏极、栅极和碳纳米管通道组成。
通过调节栅极电压，可以实现对CNT-FET的电流开关控制。
此外，研究人员还通过引入高介电常数的栅介质材料，如氧化铝或高介电常数聚合物，来增强CNT-FET的电流开关比。
这种结构优化的方法可以显著提高CNT-FET的性能。
此外，碳纳米管场效应晶体管的制备工艺也对其性能进行了优化。
目前，研究人员已经发展出了多种制备CNT-FET的方法，如化学气相沉积、电化学沉积和机械剥离等。
这些制备方法可以实现对CNT-FET的尺寸和结构的控制，从而优化其性能。
同时，研究人员还通过控制碳纳米管的生长温度和气氛等参数，来实现对CNT-FET电学性能的调节。
这些制备工艺的优化将为CNT-FET的应用提供更多可能性。
最后，碳纳米管场效应晶体管的应用也是其研究与优化的重要方向之一。
CNT-FET在高频电子器件、柔性电子器件和生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
例如，CNT-FET可以用于制备高性能的射频放大器和振荡器，以满足日益增长的无线通信需求。
此外，CNT-FET还可以用于制备柔性电子器件，如可弯曲的显示屏和可穿戴设备。
碳纳米管场效应晶体管的设计
4. 2006 年Bae-Horng Chen 等提出了一种双栅 (底栅+顶栅)结构的、 SWCNT 沟道导电类型可 调的CNT-FET。在980℃ 下通过湿法氧化获得600 nm 的栅氧化层, 低PECVD 法沉积200 nm 的氧化层或 氮化硅层, 150 nm 的源漏 和栅电钛(Ti)极是利用RF 溅射法制备。
垂直结构CNTFET 的理想 源漏电流电压特性
3. 2004 年中国科学院 物理研究所的梁迎新等 提出了1 种双DWCNTFET, 用低电导率的 DWCNT内壁(直径1.34 nm)作为栅, 高电导率的 DWCNT 外壁(直径1.73 nm)作为导电沟道。
理论上器件的关断 (OFF)电流为0.03 μA, 开 启(On)电流为14 μA 。然 而, 这DWCNT-FET 结构 虽然具有一定的结构新颖 性和一定的理论研究意义, 但在实际制备时内外壁栅 极定位难以实现, 基本没 有实用化的可能性。
虽然纳米线和纳米管电路的发展还面临着许多的困难, 但是我们有理由相信: 在不久的将来, 随着纳米线和 纳米管制备、定位以及相关理论等问题的解决, 纳米 电路必将淘汰传统的半导体电路, 其必将引起信息技 术, 特别是微电子技术的重大变革和发展, 从而电子 学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。
典型碳纳米管分立器件结构
1. 荷兰代尔夫特工业大学 Tans S J 等于1998 年首次 提出利用碳纳米管制成的 场效应晶体管。 特点描述：硅衬底做背栅 (衬底上通过热氧化生长1 层厚300 nm 的SiO2 层), 然后制备Pt 作电极, 再利用 自组装技术将半导体型的 单根单壁碳纳米管搭接Pt 电极上, 从而构建单壁碳纳 米管场效应晶体管结构。
碳纳米管场效应晶 体管的设计
纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯性能的第一原理研究
纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯性能的第一原理研究纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯是当今材料科学领域备受关注的研究热点。
这些材料具有独特的结构和特性，广泛应用于电子器件、能源储存、催化剂等领域。
本文将以第一原理计算的方法探究纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的特殊性能。
首先，我们来介绍纳米金刚石。
纳米金刚石是由碳原子通过化学气相沉积等方法制备而成的一种材料。
它具有极高的硬度和优异的导热性能。
通过第一原理计算，我们可以得到纳米金刚石的电子结构和声子谱。
研究发现，纳米金刚石比传统金刚石更加稳定，表面能也更低，这使得它在催化剂和传感器等领域有着广阔的应用前景。
接下来，我们转向碳纳米管。
碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的一维结构材料。
它具有良好的导电性、导热性和力学性能。
在第一原理计算中，我们可以研究碳纳米管的带隙和能带结构，揭示其导电性质的来源。
碳纳米管的直径和卷曲方式对其电子结构和机械性质有着重要影响。
研究发现，碳纳米管可以用作场效应晶体管、纳米电子器件和传感器等多种应用。
最后，我们来讨论石墨烯。
石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体材料。
它具有出色的电子传导性、光学透明性和强度。
通过第一原理计算，我们可以研究石墨烯的结构、能带和振动谱。
研究发现，石墨烯具有线性色散关系的能带结构，这赋予了它独特的电子输运性质。
石墨烯可以用于柔性电子器件、储能器件和光电器件等多个领域。
纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的研究不仅局限于理论计算，也需要与实验相结合。
实验可以验证理论预测的性质，并探索这些材料的合成和应用。
此外，通过材料设计和工程的手段，还可以调控和优化纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的特性，进一步提高其性能和应用潜力。
总结来说，纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯具有独特的结构和特性，通过第一原理计算可以深入研究它们的性质。
这些材料在电子器件、能源储存和催化剂等领域有着广泛的应用潜力。
随着材料科学的不断进步，相信纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯的研究将会取得更多重要的突破和应用综上所述，纳米金刚石、碳纳米管和石墨烯是具有独特结构和特性的新兴材料。
碳纳米管薄膜场效应晶体管的初步研究
①
收稿 日期 ：０７一 １ ６ ２０ Ｏ —２ 作者简介 ： 张世花 （ ９０一 。 。 １８ ） 女 湖北红安人 。 助教。
力学化学性能以及独 特的 电学性 能， 而且还 体现 出优 于普通
规整 、 尺寸均匀 的二维 碳纳米 管 Ｊ 他 们 还采 用光刻 技术 在 ， 石英片上构筑 出分辨率小至微米 级的碳纳米管 图案 。中科
院物理所得解思 深研 究员 早 在 １９ ９ ６年 通过溶 胶凝胶 的 方
法得到含有铁纳米催 化剂 的多孔氧 化硅 ， 以乙炔为碳 源得到
模板上的垂直的阵列多 壁碳 纳米管 制备 了纳米 晶体管 ， 晶体
管器件在 ３ Ｋ具有很好 的开关 性能“ ０ 。利用 Ｃ Ｄ方法制备 Ｖ 了结 构规 整 ， 排列有序的二维 和三维阵列碳 纳米 管薄膜 ， 并应 用四探针 技术测量 了阵列碳纳米管膜 碳管轴 向的垂直方 向和 平行方向的电学传输性 能 ， 现 阵列 碳纳 米管 薄膜是各 向异 发
定型碳等 。和氢结合以后 ， 以得到一 系列的有机物。碳基材料 范围很广 ， 可 包括小分子和聚合物 ， 它们 包括 绝缘 体， 半导
性能和导 电聚合物， 具有开关性能， 具有超导性能和磁性 能等 。将来碳基 电子将有 可能取 代硅 电子器件。 固态碳有 两种
成键方式 ， ０和 ｓ ｐ 成键形式 。在它的 成键 形式中， 如富勒烯和石墨 ，碳是半导体性能的 。富勒烯 的衍 生物如 Ｃ ０ ： 富勒烯 ； 纳米管 ； 场效应 晶体 管
中图分类号 ： Ｎ３１５ Ｔ ２．
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： ０ — ４８ ２０ ）２ ０３ — ３ １ ８ ８５ （０７ ０ — ０ １ ０ ０
硅基pn结二极管 mos场效应晶体管,gan基异质结场效应晶体管,碳纳米管场效应晶体管
硅基pn结二极管mos场效应晶体管,gan基异质结场效应晶体管,碳纳米管场效应晶体管1. 引言1.1 概述引言部分将涉及到硅基pn结二极管、MOS场效应晶体管、GaN基异质结场效应晶体管和碳纳米管场效应晶体管四个主题。
这四种晶体管都是目前研究和应用最为广泛的半导体器件，它们在电子行业的各个领域扮演着重要的角色。
1.2 文章结构本文将按照以下结构来展开介绍。
首先，会对硅基pn结二极管进行详细介绍，包括其原理、结构和制备方法以及在不同领域中的应用。
接下来，我们将探讨MOS场效应晶体管的原理、特点以及其结构和工艺流程，并着重关注其发展现状与趋势。
第三部分将聚焦于GaN基异质结场效应晶体管，揭示其原理性能优势，并深入讨论相关材料以及制备方法。
同时还将阐述该晶体管的应用前景与挑战。
最后一部分则是关于碳纳米管场效应晶体管的阐述。
我们首先会介绍碳纳米管的基础知识，然后分析其结构和特性，并展望其在未来的应用前景与发展趋势。
1.3 目的本文旨在全面介绍硅基pn结二极管、MOS场效应晶体管、GaN基异质结场效应晶体管以及碳纳米管场效应晶体管这四种重要的半导体器件。
通过深入研究它们的原理、制备方法、结构和特性，我们将探索它们在各个领域中的应用前景。
同时，我们也将关注它们目前面临的挑战以及未来可能出现的发展趋势。
通过本文的阐述，我们希望读者能够对这些晶体管有更深入的了解，并为相关研究和开发提供一定的参考。
这对于推动电子行业的创新和进步具有积极意义。
2. 硅基pn结二极管:硅基pn结二极管是一种基本的半导体器件，由p型和n型的硅材料形成的结构组成。
该结构通过在两种不同类型的硅材料中掺入适量的杂质，实现了电荷载流子之间的正负载流并且具有单向导电性能。
2.1 原理介绍:硅基pn结二极管的工作原理基于PN结产生的势垒效应。
当外界施加正向偏置（即连接正极至p区、负极至n区），势垒被降低，使得电子从n区域迁移到p 区，同时空穴被推送到n区域。
碳纳米管半导体(3篇)
第1篇摘要：随着科技的不断发展，半导体材料的研究和应用日益广泛。
碳纳米管作为一种新型半导体材料，具有优异的性能和广阔的应用前景。
本文将从碳纳米管的特性、制备方法、在半导体领域的应用以及面临的挑战等方面进行探讨。
一、引言半导体材料是电子科技领域的关键材料，自20世纪以来，半导体材料的研究和应用取得了举世瞩目的成果。
近年来，碳纳米管作为一种新型半导体材料，引起了广泛关注。
碳纳米管具有独特的结构、优异的性能和广泛的应用前景，有望在未来电子科技领域发挥重要作用。
二、碳纳米管的特性1. 独特的纳米结构碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯卷曲而成的纳米级管状材料。
其结构类似于石墨烯，但具有更高的力学强度和导电性能。
碳纳米管具有六边形蜂窝状结构，具有极高的对称性，这使得其在电子器件中具有广泛的应用前景。
2. 优异的物理性能碳纳米管具有以下优异的物理性能：（1）高电导率：碳纳米管具有极高的电导率，是铜的1000倍，这使得其在电子器件中具有很高的应用价值。
（2）高力学强度：碳纳米管具有极高的力学强度，是钢的100倍，这使得其在航空航天、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
（3）高热稳定性：碳纳米管具有很高的热稳定性，能在高温环境下保持良好的性能。
（4）高化学稳定性：碳纳米管具有很高的化学稳定性，不易与其他物质发生反应。
三、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1. 热解法：将含碳前驱体在高温下分解，生成碳纳米管。
2. 电弧法：将石墨或石墨烯在电弧放电过程中卷曲成碳纳米管。
3. 化学气相沉积法：利用化学反应在催化剂表面生成碳纳米管。
4. 转移法：将碳纳米管从源材料转移到目标材料。
四、碳纳米管在半导体领域的应用1. 碳纳米管晶体管碳纳米管晶体管是碳纳米管在半导体领域的主要应用之一。
碳纳米管晶体管具有以下优势：（1）高迁移率：碳纳米管晶体管具有极高的电子迁移率，这使得其在高速电子器件中具有很高的应用价值。
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附件2论文中英文摘要作者姓名：陈长鑫论文题目：碳纳米管多沟道场效应晶体管研究作者简介：陈长鑫，男，1978年11月出生，2004年03月师从于上海交通大学“长江学者”张亚非教授，于2007年12月获博士学位。
中文摘要随着传统的硅技术发展接近极限，寻找替代硅的材料已迫在眉睫。
单壁碳纳米管（SWCNT）因其独特的一维纳米结构和优异的物理、化学、机械等特性，被认为是构筑下一代集成电路的理想候选材料。
它最重要的应用之一是用来制作碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）。
SWCNT在制作FET上具有诸多的优越性：载流子可实现弹道传输；无悬键的表面使高K栅介质层的使用不会引起载流子迁移率的退化；对称的导带和价带有利于高性能互补电路的实现；直接带隙结构使得在同一材料平台上集成电子和光电子器件成为可能。
相比传统的MOSFET, CNTFET具有尺寸小、速度快、功耗低等优势，有望在后硅CMOS时代作为硅基器件的替代品或有益补充以维持电子工业的持续发展。
目前，CNTFET研究已取得许多进展(Changxin Chen, Yafei Zhang, The Open Nanoscience Journal, 2007,1:13-18；被邀综述文章)，但要实现其应用仍需克服多项关键问题。
其一，已有研究大都只使用单根SWCNT作为沟道来制作CNTFET，这使制得的器件存在许多不足，如：最大输出电流和跨导有限，不足以驱动电路中下级的逻辑门和互联线；可靠性和稳定性低，唯一的SWCNT沟道一旦损坏器件将失效，且器件间一致性也差；无法实现沟道宽度的横向缩放。
沟道结构的改进受制于常规方法制备的SWCNT往往相互缠结、随机取向、包含金属和半导体两种属性，需要探寻合适的器件结构设计和制作技术来实现。
其二，碳纳米管(CNT)与金属电极间牢固、低电阻接触的形成一直是CNT器件制作中的一个难点，阻碍了高器件性能的获得。
寻求改善接触性能及工艺可靠性和可重复性好的方法对高性能CNT器件和电路的构筑具有至关重要的作用。
其三，一维半导体性SWCNT与金属电极的接触表现出不同于传统块体半导体/金属接触的新特性，需要被深入研究以加以控制和利用。
针对上述关键问题，本论文提出和发展了一种使用分散、定向的SWCNT阵列作为器件沟道的多沟道CNTFET（MC-CNTFET），并发明一种超声纳米焊接技术将SWCNT两端焊到金属电极上以改善它们间的接触。
论文对MC-CNTFET的器件结构、制作技术、特性及SWCNT 沟道数的影响等开展了深入系统的研究，研究了超声纳米焊接的工艺、界面特性及其对接触、器件性能的改善等，制得了高性能的MC-CNTFET。
论文还研究了不同金属接触电极对MC-CNTFET类型的影响以及使用高、低功函数的非对称金属分别作为漏、源极时FET的光电特性及应用。
在此基础上，对MC-CNTFET的电路应用进行了探索。
论文的主要研究内容和成果如下：(1)创新采用一种表面功能化修饰和高频交变电场双向电泳相结合的定向排布技术，成功制得了分散、定向的SWCNT阵列。
通过一种直接缩合反应法将十八烷基胺(ODA)嫁接到纯化的SWCNT上，使SWCNT可在多种有机溶剂中形成分散、长期稳定的溶液，并使大部分SWCNT束离散成单根SWCNT (Changxin Chen, Yafei Zhang, International Journal of Nanoscience, 2006,5:389-394; Changxin Chen, et al, Physica E: Low-dimensional systems and nanostructures, 2005,28:121-127)。
对预修饰后的SWCNT进行交变电场双向电泳排布，可有效避免SWCNT间的缠结，使其相互分开、定向地并联于源漏电极间形成高密度阵列(Changxin Chen, Yafei Zhang,Journal of Physics D-Applied Physics, 2006, 39:172-176)。
研究发现，使用频率为5MHz、峰-峰电压为10V/μm的交流偏压在高挥发性溶剂中排布SWCNT可获得最佳的排布效果，SWCNT密度可通过调节排布工艺或SWCNT溶液浓度来控制。
使用该方法对溶于氯仿和异丙醇的两种SWCNT溶液进行排布，相邻SWCNT的平均间距可分别达200 nm和150 nm左右仍不发生缠结。
对排布过程的电场分布进行理论模拟，可很好地解释这种分散、定向SWCNT阵列的形成机制(Changxin Chen, et al,Nanoscale Research Letters,2009,4:157-164)。
(2)首次提出和研制一种使用分散、定向的半导体性SWCNT阵列作为器件沟道的高性能MC-CNTFET。
研究了MC-CNTFET的关键制作技术，发现使用相互分开、定向的SWCNT阵列作沟道可使金属性SWCNT的电流选择性烧断去除变得容易，有利于获得高的器件开关比(Changxin Chen, Yafei Zhang, Science in China, Ser. E, 2005,48: 669-678; 陈长鑫, 张亚非, 中国科学,E 辑，2005,35:1156-1165)。
研究表明，多沟道器件结构的采用使CNTFET不仅在输出电流和跨导等关键性能上有很大提高，而且具有更高的可靠性和成品率(Changxin Chen, Yafei Zhang, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2006,6:3789-3793; Changxin Chen, et al, Applied Physics Letters,2009,95:192110; 发明专利: ZL200510024427.6)。
为研究沟道数与跨导的关系，我们在同一源漏电极间制作了一系列不同SWCNT沟道数的MC-CNTFET，发现SWCNT密度不太高时两者具有大致正比关系，该结果提供了一个通过控制沟道数来线性调控CNTFET 跨导的方法(Changxin Chen, et al,Physics Letters A, 2007, 366: 474-479)。
实验通过设计一种指状阵列源漏电极对排布SWCNT以获得间距和数量可控的SWCNT沟道，并优化接触，制得了高性能的MC-CNTFET (Changxin Chen, et al,IEEE Electron Device Letters, 2006, 27(10): 852-855; 获中国真空学会“博士优秀论文奖”)。
对于15根SWCNT被焊接到Au电极的MC-CNTFET，在-0.15 V的低源漏电压下开态电流和跨导分别达235 μA和50.2 μS (同方法制作的接触未改善的单根SWCNT-FET的开态电流和跨导只为0.014 μA和0.028 μS)，空穴场效应迁移率高达7160 cm2 V-1 s-1(在已报道的相近沟道长度CNTFET中最高)，器件显示116 mV/dec的低亚阈值斜率和105 -106的高电流开关比。
(3) 首创一种超声纳米焊接技术对SWCNT和金属电极进行可靠的焊接键合以显著改善接触和器件性能。
对焊接的工艺、键合界面、接触特性及其对CNTFET性能的影响等进行研究。
结果表明超声纳米焊接可使SWCNT与电极形成牢固、低电阻的接触, 降低接触电阻3-4个数量级。
焊接后，室温下一根1μm长的金属性SWCNT的二端电阻被降低到8-24 KΩ的窄范围(最低值接近有着完美接触的弹道传输金属性SWCNT的理论最小电阻值6.45 KΩ)，半导体性SWCNT与金属的接触在开态时具有很小的有效肖特基势垒高度和宽度(Changxin Chen, et al,Carbon,2007,45: 436-442)。
该技术在常温下即可使SWCNT与电极形成碳化物，使接触形态从“侧面接触”变为“端部接触”，导致CNTFET性能被很大改善。
对于制得的背栅单根SWCNT-FET，在0.5 V的源漏电压下开态电流和跨导可分别高达18.9 µA和3.6 µS (该跨导值为已报道的固态背栅单根SWCNT-FET中最大值，比退火法改善接触后的器件跨导高一个多数量级，而焊接前跨导只有10-9S量级)，亚阈值斜率约为180 mV/dec (比已报道的高温退火法处理所得值730 mV/dec要低很多)，电流开关比达106-107。
采用一种AFM探针拨动测试法，焊接键合被证明具有高的机械强度(Changxin Chen, et al,Nanotechnology, 2006,17: 2192-2197)。
论文对超声纳米焊接的机理及其对器件、接触性能的改善也进行了初步理论探讨。
该技术被Nanowerk科技网的“spotlight” 新闻聚焦栏目、Science Daily科技网等专题报道，发表在Nanotechnology杂志的论文被评为杂志2006年“Top 10 Downloaded Articles”，相应专利(ZL200510028887.6)也获第二十二届上海市优秀发明银奖。
(4) 实现MC-CNTFET从p型到n型的转变，并在国际上首次发现和研究了高功函数金属/SWCNT/低功函数金属结构FET的光伏效应。
研究不同金属与半导体性SWCNT的接触特性。
发现使用高功函数金属Au、Pd、Ti和低功函数金属Al与SWCNT焊接接触，可分别制得高性能的p型和n型MC-CNTFET，实现器件从p型到n型的转变。
研究了使用Pd和Al分别作为与SWCNT焊接接触的漏极和源极的高功函数金属/SWCNT/低功函数金属结构FET的特性(Changxin Chen, et al,Small, 2008, 4(9): 1313-1318, 封面文章; 发明专利: ZL200710038026.5)。
发现通过选择合适的栅绝缘层厚度、栅压和源漏间距，可导致在整根SWCNT中形成强的内建电场以高效分离光生电子-空穴对，使器件显示良好的光伏效应(Changxin Chen, et al,Applied Physics Letters,2009,94:263501,封面文章)。
太阳光照射下，器件可获得0.31V的大的开路电压，光生电流的响应时间只有90 mS, 可被应用作太阳能光伏微电池。
为评估器件实际功率转换效率，一种高频电磁散射模型被用在有限元模拟方法中对器件中SWCNT阵列光吸收进行估计(Changxin Chen, et al,IEEE Transactions on Nanotechnology,2009,8:303-314,封面文章)。