一种悬空碳纳米管场效应晶体管及其制备方法

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种悬空碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

半个世纪以来，以硅基作为基础的半导体器件得到了飞速发展，但随着单位面积上集成的器件密度不断增加，半导体工艺正在接近其尺寸的理论极限。因此拥有非凡理化性能的纳米材料引起人们的广泛关注。纳米材料的家族十分庞大，碳纳米管在其中是典型的一维纳米材料。

半导体性碳纳米管(s-swcnts)具有高载流子迁移率(室温下可达1000cm²/(v^-1·s^-1))、窄带隙、优良的导热性、稳定的化学性质等优势。且因为其易于墨水化，后处理温度低等特点，成为构建印制场效应晶体管的理想半导体沟道材料。将单壁碳纳米管网络通过溶液转移到晶体管的沟道区域，可以简化器件沟道的制备工艺，脱离传统光刻技术并有效地与印刷电子技术兼容。目前已有很多研究工作尝试将碳纳米管制备成可印制的墨水，通过喷墨打印、卷对卷柔版印刷等印刷技术将碳纳米管转印到沟道区域并与源、漏电极形成良好的欧姆接触，获得压控敏感、开关性能良好的场效应晶体管。

本发明中选用喷墨打印而不采用传统光刻工艺。对比光刻技术的繁复流程：光刻、显影、蚀刻、脱模等处理，如今喷墨打印同样成为了聚合物沉积领域的核心技术，它简单，快速，工艺集成度高。喷墨印刷无需接触、无需压力、无需印版，只需将电子计算机中存贮的信息输入喷墨印刷机，即可控制印刷过程。同时程控的精准性使得材料损耗能够在极大程度上得到控制，并可调整喷印距离在最大程度上保护基板。

然而截至目前，碳纳米管场效应管仍存在以下问题：

1)现有的工艺无法实现单一导电特性的纳米管的制备，获得的碳纳米管是由不同管径、手性分布的混合物，其中既含有金属性也含有多种手性的半导体性碳纳米管，而器件制造通常只需要单一导电特性的碳纳米管；

2)由于喷印碳纳米管墨水作为一种非接触式的直接印制方式，涂覆的沟道材料与两电极的接触电阻较大；

4)与传统的晶体管制造业在材料的选择上、晶体管的布局结构上、制备工艺上的迥乎不同使其器件制造工艺无法与传统工艺互相整合与兼容，因此工艺过程冗长复杂，最终将导致晶体管的电学特性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决碳纳米管场效应管由于喷印碳纳米管墨水作为一种非接触式的直接印制方式，涂覆的沟道材料与两电极的接触电阻较大的问题。

针对现有碳纳米管场效应管制备技术中存在的问题，本发明提供了一种悬空碳纳米管场效应晶体管及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对柔性基板材料进行超声清洗，并通过等离子体处理基板表面，于基板表面制备晶体管的源电极、漏电极、背栅电极；

步骤2、采用低功率电子束蒸发法在基板正面的源电极、漏电极上蒸镀纳米银导电薄膜；

步骤3、制备用于喷印的半导体性碳纳米管分散液，使用喷墨打印设备将半导体性碳纳米管分散液均匀印制在步骤2得到的纳米银导电薄膜上，使得在纳米银导电薄膜上形成碳纳米管有源半导体沟道层；

步骤4、经高温退火处理后，纳米银导电薄膜烧结坍缩并趋向于附着在电极表面形成开放式孔洞，碳纳米管薄膜形成悬空的随机网络结构，完成悬空碳纳米管场效应晶体管的制备。

一种悬空碳纳米管场效应晶体管，自下而上包括背栅电极，高κ栅介质层，漏电极，源电极，以及横跨在源/漏电极上的半导体性碳纳米管作为晶体管的有源沟道层。

进一步地，所述步骤1中基板材料厚度为400～500nm。

进一步地，所述步骤1中等离子体处理的具体过程为采用ar⁺等离子体处理基板表面12～18分钟，电压设置650～750v。

进一步地，所述步骤1中源、漏电极间沟道宽度为1～5μm。

进一步地，步骤1中制备源、漏、栅电极的方法可为溶液两步法、电子束蒸镀法、磁控溅射法等。

进一步地，步骤1中所述金属层厚度为100～200nm。

进一步地，步骤2中所述蒸镀的纳米银导电薄膜厚度为400～500nm。

进一步地，步骤3中半导体性碳纳米管分散液的制备方法为：将碳纳米管粉末溶于有机溶剂中并加入芴基共轭聚合物对碳纳米管进行选择性包覆，辅助以液相超声剥离处理并通过超高速离心去除金属性碳纳米管和团聚大管束，获得的上清液即高纯度半导体性碳纳米管分散液。

进一步地，步骤3中喷墨打印的方式可以更换为气溶胶喷墨打印，没有特别的限定。

进一步地，步骤4中所述的高温退火的具体操作为：将基板放入管式炉中，设置升温速率10℃/min升温至960℃以上，并通入混合气体氩气和氢气，退火时间设置为1分钟。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)工艺的简化：在器件制备过程中，源电极、漏电极和栅电极的制备无须通过繁复的光刻工艺，以掩膜版作图案化约束形成电极图案，也无须使用较贵的导电银浆作为电极原料，而是以一体化的制备工艺获得电极阵列，实现高效、低成本的同时保证导电性能优良的金属制备。除此之外，通过共轭聚合物选择性包覆处理并使用表面活性剂分散后得到的碳纳米管墨水可直接作为喷墨打印的功能墨水成分，上述步骤可以大大简化薄膜晶体管的制备工艺。

2)成本低：半导体有源沟道层的材料选择上采用半导体性碳纳米管，碳纳米管具有优越的理化特性且可以与印刷工艺将相兼容，脱离传统晶体管制造工艺，使得实验造价极大程度上的减小。

3)性能上的改进：因高温处理后纳米银薄膜熔融并向电极移动，纳米管随机网络结构横跨其上形成悬空的沟道层结构，因此与电极材料间的接触电阻较低；其次在纳米银膜形成孔洞的过程中，对纳米管网状结构形成垂直于两电极的拉伸应力，使得纳米管随机网络趋向于有序排列，取向一致的碳纳米管可以充分发挥其沿轴向的电荷传输特性，利于层间载流子运输，使得开态电流增大，转移特性曲线的开关比相应变大，制备的晶体管电学性能得到有效提升。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的悬空碳纳米管场效应晶体管结构示意图；

图2是本发明的悬空碳纳米管场效应晶体管的制造方法中各个步骤的示意图；

图3是本发明的悬空碳纳米管场效应晶体管的制造方法的流程框图。

其中：1-缘栅介质层，2-漏电极，3-源电极，4-背栅电极，5-有源沟道层。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面通过具体的实施例并结合图1至图3对本发明作详细说明。

实施例

如图2所示为本实施例中悬空碳纳米管场效应晶体管，包括以下步骤：

1)手性单壁碳纳米管墨水的制备：称取10mg的共轭聚合物pfo-bt溶于20ml的有机溶剂甲苯中，使用锡箔纸包裹烧杯进行避光处理，磁力搅拌10分钟使其充分溶解混合。称取10mg的swcnt加入到有机溶液中，然后进行水浴超声(200w，40khz)，超声60-90分钟，温度保持在15℃，在超声剪切力的辅助作用下使pfo-bt对单壁碳纳米管进行充分的选择性包覆。取出样品进行离心处理，转速设置10000转/分，离心30分钟后提取上层悬浮液，得到稳定的的单壁碳纳米管富集的可喷印墨水。

2)对基板的表面处理并通过溶液二步法制备晶体管的源、漏、栅电极金属层：使用丙酮、去离子水对基板材料(sio2/si)进行超声清洗，采用ar⁺等离子体对洁净基板表面进行处理以备用，处理12～18分钟，电压设置650～750v。制备铜金属层为例，通过溶液两步法首先于柔性基板印制ag⁺催化性前驱剂，正面为图案化的源、漏电极阵列，反面为整面的背栅电极，经紫外固化处理形成前驱剂固化墨膜后，将基板完全浸入配置好的化学镀铜剂中，反应环境温度设置为50℃，反应时间10分钟完成基板正反面源/漏/栅电极阵列的制备。溶液中的还原剂首先将ag⁺还原成ag，ag颗粒作为催化靶点在其上原位生长形成图案化铜金属层，进一步的化学沉铜将由已经沉积出的铜层的自催化反应来完成。

3)电子束蒸镀形成纳米银导电薄膜：采用低功率电子束蒸发法蒸镀制备导电薄膜，抽真空直到真空腔内的压强低于1.5x10^-3pa，调节电流使灯丝电流为4.5～5.5a，调节电压使电压为2.0～3.0kv，电子束蒸发在基板上沉积出厚度为400～500nm的纳米银导电薄膜。

4)有源沟道层的涂覆：将制备好的半导体性碳纳米管分散液置于喷墨打印设备中，在纳米银薄膜上均匀地喷印出s-swcnt有源沟道层。器件制备完成后将基板放入150℃烘箱中烘干10分钟取出。该过程可以促进墨水中有机溶剂蒸发，形成均匀一致的碳纳米管薄膜。

5)高温处理形成悬空碳纳米管晶体管结构：将基板放入管式炉中，设置升温速率10℃/min升温至960℃以上，并通入氩气和氢气的混合气体，退火时间设置为1分钟。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。