专利名称：碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纳米电子器件技术领域的制备方法，具体来讲，涉及的 是一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法。
背景技术：
人们对碳纳米管晶体管已经投入大量研究，并取得一定进展，目前碳纳米管 场效应晶体管的制备方法主要有如下几种1.采用显微物理操纵的方法将碳纳米
管移动连接到电极上，如AFM探针拨动的方法，该方法能精确控制碳纳米管，但 操作难度很大，效率很低，很难实现规模化生产；2.采用CVD的方法在硅片表面 生长碳纳米管，使之与源漏电极相连，该方法虽能通过催化剂控制碳纳米管生长 的位置，但碳纳米管生长方向随机性很大，操作的可重复性以及碳纳米管和电极 之间的电接触性能很得以难控制；3.将纯化后的碳纳米管直接超声分散有机溶剂 中形成混合液，将碳纳米管混合液旋涂于预先刻有源漏电极图案的硅片上，这种 方法使碳纳米管在硅片上任意分布，无法控制其取向性;4.采用外加辅助电场等， 使超声悬浮在有机溶剂中的碳纳米管趋向连接到源漏电极之间，是由于碳纳米管 之间的吸附作用，该方法在电极部位连接的碳纳米管往往比较混乱地吸附在一 起，碳纳米管任意缠绕问题很大，重复性和电学性能很差，使得利用交变电场辅 助制作碳纳米管场效应晶体管的工作局限于将单根的碳纳米管或碳纳米管束连 接到两相对的电极上；5.先将碳纳米管旋涂在未刻有源漏电极图案的硅片上，然 后选择合适的碳纳米管，在其上采用光刻技术制作出源漏电极图案，该方法存在 碳纳米管任意分布，光刻时定位、套刻困难等不足，其制作效率不高。除此之外， 上述所有器件都面临一个共同的问题，金属性与半导体性碳纳米管的分离。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号CN1490856A，
公开日为2004 年4月21日，发明名称为 一种阵列碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，该专利 公开了一种采用阵列碳纳米管薄膜制作晶体管的方法。该方法使用金属酞菁在 Si(V高掺杂硅基片上生长一层阵列碳纳米管薄膜，然后在膜上用真空蒸镀的方法沉积金电极作为源、漏电极，制成具有场效应性能的晶体管。其不足之处是-该方法制得的阵列碳纳米管薄膜中碳纳米管堆积在一起，不能有效地均匀分散， 这将使碳纳米管与源漏电极不能形成良好的欧姆接触，碳纳米管之间存在偶合效 应，影响晶体管的性能。而且，该方法制作阵列碳纳米管薄膜晶体管时使用的源 漏电极尺寸很大，间距为0. 1-0. 5毫米，宽度为50-66毫米，而集成电路中晶体 管的尺寸远小于此，因此该方法不能适应当前微电子与集成电路产业特征尺寸日 益縮小的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种碳纳米管薄膜场效应晶 体管的制备方法，并结合能够与传统微电子加工工艺很好兼容的等离子体刻蚀技 术，成功分离金属性和半导体性碳纳米管，得到性能优秀的电子器件。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤
第一步，在微电极之间形成碳纳米管薄膜，这一步骤可采用以下两种方案中
任一种实现
方案一，交变电场双向电泳方法
a. 在表面含有绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出电极对图案，将该电极对 相对的两电极作为场效应晶体管器件的源漏电极；
b. 将碳纳米管的悬浮液滴在预制成的源漏电极表面形成液体层；
C.通过在源漏电极上施加交变偏压，使碳纳米管在双向电泳力的作用下在源 漏电极之间形成定向碳纳米管薄膜。 方案二，自组装方法
a) 将清洗干净的带绝缘层硅片浸泡在H2S0jn HA混合溶液中；
b) 将冲洗干净的带绝缘层硅片浸泡在APS溶液(ammonium persulfate,过 硫酸铵)中；
c) 将烘干后的带绝缘层硅片在碳纳米管悬浮液中浸泡，使碳纳米管在硅片 上自组装形成碳纳米管薄膜；
d) 采用光刻技术在碳纳米管薄膜上制作出源漏电极图案。 在通过上述两种方案在微电极之间形成碳纳米管薄膜后，继续下列步骤。 第二步，去除金属性碳纳米管，以硅衬底作为背面栅极得到具有良好性能的碳纳米管薄膜场效应晶体管。去除碳纳米管可以采用以下两种方案
方案一在室温到60(TC范围，0.01到lOOOOOPa压强下，采用等离子体刻
蚀，去除金属性碳纳米管。
方案二先施加栅压使半导体性碳纳米管截止，然后接源漏电压，使源漏电 流从金属性的碳纳米管上通过，将金属性的碳纳米管烧断，留下半导体性的碳纳 米管。
所述的绝缘层或者是以下无机材料中的一种二氧化硅、氧化铝、氮化硅、 氟化钙，或者是以下聚合材料中的一种环氧树脂、聚酰亚胺。
所述的源漏电极之间的间距介于20-20000nm之间，源漏电极相对宽度为 1-1000um。
所述的电极材料是Au、 Al、 Ti、 Ni、 W、 Cu中的一种。电极材料的选择主要 考虑其与碳纳米管的接触电阻和导电性。
所述的第一步的源漏电极或者是绝缘衬底上的电极对，或者是表面有绝缘层 的导电衬底上的电极对。这种期间结构的安排是为了避免源漏电极之间的短路。
所述的交变电场的频率在lk-100MHz之间，电场为0. 5V/u m-50V/ii m，操纵 的沉积时间为5s-10min，温度为0°C-70°C。
所述HzS04和HA体积比范围为1-6: 1，浸泡时间为0小时到24小时，浸泡 温度为0-100度。
所述将冲洗干净的硅片浸泡在APS溶液中0-24h， APS溶液中H20和APS的 体积比范围为(5-10000): 1。
所述将烘干后的硅片在浓度为0. l-10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡 0-72h。
所述的等离子体发生气体是甲垸与氩气的混合气体，或者氢气，等离子体功 率为10-500W范围，处理时间10s-60min，反应腔室压强为30-200Pa，反应温度 为0-700。C。
本发明的工作原理是用电泳或者自组装方法，使碳纳米管薄膜铺排在微电 极之间，得到接触良好的结构；用等离子体处理或者电烧方法，去除金属性碳纳 米管，防止源漏电极之间形成短路，保证晶体管能够正常稳定工作。
本发明的有益效果是本发明能有效去除金属性碳纳米管，得到性能可靠的
6晶体管。碳纳米管与金属电极间能形成良好的欧姆接触；制备的碳纳米管场效应 晶体管具有良好的开关性能(开关比〉104);可以制备具有同比条件下单根碳纳 米管为沟道制作成的场效应晶体管高得多的跨导值(gm可提高20倍以上)，而且 比单根管为沟道的场效应晶体管具有更好的结构稳定性。等离子体刻蚀工艺能够 很好的与现有微电子加工工艺兼容，具有能满足微电子行业大规模生产的要求。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例l
本实施例采用交变电场双向电泳方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将碳 纳米管置于氯仿中，并在频率为30KHz的超声波下分散2分钟，形成稳定分散的 碳纳米管悬浮液。
在含有500nm厚的二氧化硅绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出平行相对的 Au电极对图案，其电极间距为llim，正对的宽度为10ym。在源漏电极之间， 加一个频率为5MHz，场强为10V/ ix m的高频正弦交流电压。将浓度为0. 5 u g/ml 的碳纳米管悬浮液地在源漏电极上，使其在交变电场的作用下定向沉积，沉积时 间为40s，沉积温度为25'C。这样在电极之间得到碳纳米管薄膜。
用75%甲垸和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反 应温度为30(TC，功率400W，反应时间10min，反应腔体内压强为70Pa。处理后， 以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导l. 13uS，导通电 流0. 08u A。
实施例2
本实施例采用自组装方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将清洗干净的带 绝缘层硅片浸泡在H2S0jB HA混合溶液中，其中H2S(X和HA体积比范围为3: 1， 浸泡时间为16小时，浸泡温度为80度，然后将冲洗干净的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中HzO和APS的体积比范围为100: 1，接着将烘干后的硅片在 浓度为10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡24h，使碳纳米管在硅片上自组装形成 碳纳米管薄膜。在硅片上采用光刻技术制作出平行相对的Au电极对图案，其电极间距为1 pm，正对的宽度为10y m。
用75%甲垸和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反 应温度为300°C，功率200W，反应时间30rain，反应腔体内压强为70Pa。处理后， 以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导0.95wS，导通电 流1. 16u A。
实施例3
本实施例采用交变电场双向电泳方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将碳 纳米管置于氯仿中，并在频率为30KHz的超声波下分散2分钟，形成稳定分散的 碳纳米管悬浮液。
在含有500nm厚的氮化硅绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出平行相对的 Au电极对图案，其电极间距为lum，正对的宽度为10um。在源漏电极之间， 加一个频率为5MHz，场强为10V/y m的高频正弦交流电压。将浓度为0. 5 tx g/ml 的碳纳米管悬浮液地在源漏电极上，使其在交变电场的作用下定向沉积，沉积时 间为40s，沉积温度为25。C。这样在电极之间得到碳纳米管薄膜。
用75%甲烷和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反 应温度为300°C，功率200W，反应时间30min，反应腔体内压强为70Pa。处理后， 以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导1.25wS，导通电 流O. 92uA。
实施例4
本实施例采用自组装方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将清洗干净的带 绝缘层硅片浸泡在H2SOjQ &02混合溶液中，其中H2S04和&02体积比范围为3: 1， 浸泡时间为16小时，浸泡温度为80度，然后将冲洗千净的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中H20禾tl APS的体积比范围为100: 1，接着将烘干后的硅片在 浓度为10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡24h,使碳纳米管在硅片上自组装形成 碳纳米管薄膜。
在硅片上采用光刻技术制作出平行相对的Au电极对图案，其电极间距为1 y m，正对的宽度为lOum。
用75%甲烷和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反应温度为300°C，功率400W，反应时间10min，反应腔体内压强为70Pa。处理后， 以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导0.85uS，导通电 流0. 96 y A。 实施例5
本实施例采用自组装方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将清洗干净的带 绝缘层硅片浸泡在仏S04和HA混合溶液中，其中H2S04ff HA体积比范围为3: 1， 浸泡时间为16小时，浸泡温度为80度，然后将冲洗干净的硅片浸泡在APS溶液 中10h， APS溶液中H20和APS的体积比范围为100: 1，接着将烘干后的硅片在 浓度为10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡24h，使碳纳米管在硅片上自组装形成 碳纳米管薄膜。
在硅片上采用光刻技术制作出平行相对的Al电极对图案，其电极间距为1 um，正对的宽度为lOwm。
用75%甲烷和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反 应温度为300°C，功率IOOW，反应时间60min，反应腔体内压强为70Pa。处理后， 以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导0.91iiS，导通电 流1.21iiA。
实施例6
本实施例采用交变电场双向电泳方法得到碳纳米管薄膜场效应晶体管。将碳 纳米管置于氯仿中，并在频率为30KHz的超声波下分散2分钟，形成稳定分散的 碳纳米管悬浮液。
在含有500mn厚的环氧树脂绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出平行相对 的Cu电极对图案，其电极间距为lum，正对的宽度为10um。在源漏电极之间， 加一个频率为5MHz，场强为5V/ii m的高频正弦交流电压。将浓度为0. 5 U g/ml 的碳纳米管悬浮液地在源漏电极上，使其在交变电场的作用下定向沉积，沉积时 间为40s，沉积温度为25'C。这样在电极之间得到碳纳米管薄膜。
用75%甲烷和25%氩气的混和气体的等离子体刻蚀去除金属性碳纳米管，反 应温度为400。C，功率300W，反应时间30min，反应腔体内压强为200Pa。处理 后，以硅衬底作为背面栅极得到性能优异的碳纳米管晶体管。跨导0.89uS，导 通电流1. 35ii A。
权利要求
1、一种碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤第一步，在微电极之间形成碳纳米管薄膜，采用以下两种方案中任一种方案一，交变电场双向电泳方法a.在表面含有绝缘层的硅片上采用光刻技术制作出电极对图案，将该电极对相对的两电极作为场效应晶体管器件的源漏电极；b.将碳纳米管的悬浮液滴在预制成的源漏电极表面形成液体层；c.通过在源漏电极上施加交变偏压，使碳纳米管在双向电泳力的作用下在源漏电极之间形成定向碳纳米管薄膜；方案二，自组装方法a.将清洗干净的带绝缘层硅片浸泡在H2SO4和H2O2混合溶液中；b.将冲洗干净的带绝缘层硅片浸泡在APS溶液中；c.将烘干后的带绝缘层硅片在碳纳米管悬浮液中浸泡，使碳纳米管在硅片上自组装形成碳纳米管薄膜；d.采用光刻技术在碳纳米管薄膜上制作出源漏电极图案；第二步，去除金属性碳纳米管，得到具有良好性能的碳纳米管薄膜场效应晶体管；所述去除碳纳米管采用以下两种方案中一种方案一在室温到600℃范围，0.01Pa到100000Pa压强下，采用等离子体刻蚀，去除金属性碳纳米管；方案二先施加栅压使半导体性碳纳米管截止，然后接源漏电压，使源漏电流从金属性的碳纳米管上通过，将金属性的碳纳米管烧断，留下半导体性的碳纳米管。
2、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述的绝缘层是指以下无机材料中的一种二氧化硅、氧化铝、氧化硅、氟 化钙，或者是以下聚合材料中的一种环氧树脂、聚酰亚胺。
3、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征是，所述的源漏电极是绝缘衬底上的电极对，或者是表面有绝缘层的导电衬底上的电极对，漏电极之间的间距介于20nm-20000nm之间，源漏电极相对宽度为1 y m -1000 ixm。
4、 根据权利要求1或者3所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法， 其特征是，所述的电极材料是Au、 Al、 Ti、 Ni、 W、 Cu中的一种。
5、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述的交变电场的频率在lk-100MHz之间，电场为0. 5V/ii m-50V/u m，操 纵的沉积时间为5s-10min，温度为0°C_7(TC。
6、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述H2S04和HA混合溶液中，H2S04和HA体积比范围为1-6: 1，浸泡时间 为0小时到24小时，浸泡温度为0-100度。
7、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述将冲洗干净的硅片浸泡在APS溶液中，其时间为0-24h， APS溶液中H20 和APS的体积比范围为5-10000: 1。
8、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述将烘干后的硅片在碳纳米管悬浮液中浸泡，是指将烘干后的硅片在浓度 为0. l-10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡0-72h。
9、 根据权利要求1所述的碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征 是，所述的等离子体发生气体是甲烷与氩气的混合气体，或者氢气，等离子体功 率为10-500W范围，处理时间10s-60min，反应腔室压强为30-200Pa，反应温度 为0-700 。C。
全文摘要
本发明涉及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，得到具有良好性能的碳纳米管薄膜场效应晶体管。
文档编号H01L21/208GK101540285SQ20091004940
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者伟 张, 张亚非, 潘晓艳, 林 胡, 陈长鑫 申请人:上海交通大学