碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法

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。

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，采用自组装方法在微电极之间形成碳纳米管薄膜，具体步骤包括：a、将清洗干净的带绝缘层硅片浸泡在H2SO4和H2O2混合溶液中；

所述H2SO4和H2O2混合溶液中，H2SO4和H2O2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；

b、将冲洗干净的带绝缘层硅片浸泡在过硫酸胺溶液中；

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；

所述去除金属性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，所述将冲洗干净的硅片浸泡在过硫酸胺溶液中，其时间为0-24h，过硫酸胺溶液中H2O和过硫酸胺的体积比范围为5-10000∶1。

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0.1-10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡0-72h。

4.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℃。

说明书

碳纳米管薄膜场效应晶体管的制备方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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SiO2/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缩小的需求。

发明内容

[0004] 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。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

[0006] 第一步，采用自组装方法在微电极之间形成碳纳米管薄膜：

[0007] a)将清洗干净的带绝缘层硅片浸泡在H2SO4和H2O2混合溶液中；

[0008] b)将冲洗干净的带绝缘层硅片浸泡在过硫酸胺溶液(ammoniumpersulfate，过硫酸铵)中；

[0009] 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；

[0010] d)采用光刻技术在碳纳米管薄膜上制作出源漏电极图案。

[0011] 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。

[0012] 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。去除金属性碳纳米管可以采用以下两种方案：

[0013] 方案一：在室温到600℃范围，0.01到100000Pa压强下，采用等离子体刻蚀，去除金属性碳纳米管。

[0014] 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。

[0015] 所述H2SO4和H2O2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。

[0016] 所述将冲洗干净的硅片浸泡在过硫酸胺溶液中0-24h，过硫酸胺溶液中H2O和过硫酸胺的体积比范围为(5-10000)∶1。

[0017] 所述将烘干后的硅片在浓度为0.1-10mg/ml的碳纳米管悬浮液中浸泡0-72h。

[0018] 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℃。

[0019] 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。

[0020] 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。

具体实施方式

[0021] 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。

[0022] 实施例1

[0023] 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。

[0024] 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1μm，正对的宽度为10μm。在源漏电极之间，加一个频率为5MHz，场强为10V/μm的高频正弦交流电压。将浓度为0.5μg/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℃。这样在电极之间得到碳纳米管薄膜。

[0025] 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℃，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1.13μS，导通电流0.08μA。

[0026] 实施例2

[0027] 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H2SO4和H2O2混合溶液中，其中H2SO4和H2O2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过硫酸胺溶液中10h，过硫酸胺溶液中H2O和过硫酸胺的体积比范围为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。

[0028] 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1μm，正对的宽度为10μm。

[0029] 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℃，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0.95μS，导通电流1.16μA。

[0030] 实施例3

[0031] 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。

[0032] 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1μm，正对的宽度为10μm。在源漏电极之间，加一个频率为5MHz，场强为10V/μm的高频正弦交流电压。将浓度为0.5μg/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℃。这样在电极之间得到碳纳米管薄膜。

[0033] 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℃，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1.25μS，导通电流0.92μA。

[0034] 实施例4

[0035] 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H2SO4和H2O2混合溶液中，其中H2SO4和H2O2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过硫酸胺溶液中10h，过硫酸胺溶液中H2O和过硫酸胺的体积比范围为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。

[0036] 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1μm，正