一种基于单壁碳纳米管网络的柔性场效应晶体管器件.pdf

大规模集成电路设计、制造与应用 1引言柔性电子器件以其可弯曲、可拉伸和轻薄等特点，在可穿戴传感器、柔性显示装置、电子皮肤以及太阳能电池等领域具有广泛的应用前景1-3。然而，传统硅基刚性材料难以在弯折条件下保持电学特性，因此人们开始关注如何将具有高机械韧性的新材料应用于电子器件中，使电子器件在经历一定机械形变之后仍能表现出优越的性能。近年来，纳米材料因其独特的物理和化学特性已经成为研究热点，其中碳纳米管因具有极高的电子迁移率和机械强度，又因其良好的化学稳定性和生物相容性等特点，成为最具代表性的纳米材料之一4-5。碳纳米管网络作为晶体管载流子通道，具有高迁移率、低漏电流和极低的噪声等特点，可以实现高速、低功耗和高灵敏度的电子器件6-8。在此，提出一种柔性碳纳米管网一种基于单壁碳纳米管网络的柔性场效应晶体管器件王怀鹏1，张伟博2，谢丹1（1.清华大学集成电路学院，北京 100084；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）摘要:针对未来可穿戴电子设备对高性能柔性场效应晶体管的迫切需求，提出一种基于单壁碳纳米管网络的柔性场效应晶体管的制备方法，采用超柔的聚酰亚胺薄膜（PI）作为衬底，以具有高介电常数的氧化铪作为栅介质层，由一维碳纳米管搭建的网路状结构作为晶体管导电沟道。实验结果表明，在超柔 PI 衬底上，所制备柔性场效应晶体管表现出典型的 P 型导电特性，开关比达到 105以上，具有良好的开关特性。所制备器件在 200 次弯折之后，仍能表现出 104以上的高开关比，证明所制备柔性晶体管器件具有良好的耐弯折特性，具有应用于可穿戴电子器件的巨大潜力。关键词：碳纳米管；柔性器件；场效应晶体管；电学特性DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.001中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0001-03A Flexible Field-Effect Transistor Device Based on Single-WalledCarbon Nanotube NetworksWANG Huaipeng1,ZHANG Weibo2,XIE Dan1(1.School of Integrated Circuits,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.School of Electrical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:In view of the urgent demand for high-performance flexible field-effect transistors in wear-able electronic devices in the future,a method for fabricating flexible field effect transistors based onsingle-walled carbon nanotube networks is proposed.Ultra-flexible polyimide(PI)film is used as thesubstrate,hafnium oxide with high dielectric constant is used as the gate dielectric layer,and the networkstructure built by one-dimensional carbon nanotubes is used as the transistor conductive channel.Theexperimental results show that the prepared flexible field effect transistor shows typical P-type conductivityon the ultra-flexible PI substrate,with a switching ratio of over 105and good switching characteristics.The device still maintains a high switching ratio of over 104after 200 bending cycles,demonstratingexcellent bending resistance of the fabricated flexible transistor device and tremendous potential forapplication in wearable electronic devices.Key words:Carbon nanotubes;Flexible devices;Field-effect transistors;Electrical performance作者简介：王怀鹏（1998），男，山东省济南市人，博士研究生，主研方向：低维材料场效应晶体管制备与性能研究。张伟博（1990），男，河北省邢台市人，硕士研究生，主研方向：新型电子器件。通讯作者：谢丹（1972），女，黑龙江省哈尔滨市人，副教授，主研方向：新型微纳电子关键材料、器件与系统。收稿日期：2023-06-30微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，2023微处理机2023 年图 4漏电特性曲线图 3器件转移特性曲线图 1柔性单壁碳纳米管网络晶体管制备工艺流程(c)生长 Hf02(d)形成CNT 薄膜(f)制作 Cr/Au 电极(e)沟道图形化(a)制备 PI 薄膜(b)沉积 Al 层络场效应晶体管的制备方法,并对其基本电学特性和耐弯折特性进行实验测试。2器件制备与表征所设计的柔性单壁碳纳米管网络晶体管的制备工艺流程图如图 1 所示。工艺采用超柔的聚酰亚胺薄膜（PI）作为衬底。为与传统器件微纳加工过程相兼容，首先需要通过匀胶法在硅基衬底上将 PI 前驱体溶液旋涂成膜，再经过固化处理成膜。此时 PI薄膜与硅衬底之间具有一定粘附性，等器件制备完成之后，再将其从硅衬底上剥离下来，以此即可使得整个微纳加工过程都在刚性硅衬底上完成。在器件的制备中，首先通过溅射工艺，在 PI 薄膜上沉积 100nm 厚的 Al 作为背栅电极，然后通过原子力沉积（ALD）工艺，生长 15nm 的氧化铪（Hf02）作为背栅介质。然后，利用表面改性法，首先将上述衬底浸泡在多聚赖氨酸中，使氧化物表面带有一定功能化基团。经过 5min 浸泡和去离子水冲洗之后，将上述衬底浸泡到浓度为 98%的单壁碳纳米管（悦晕栽）水溶液中，时间为 30min。在此过程中，碳纳米管会在氧化物表面基团作用下结合到氧化物表面，并形成一层网络状薄膜。经过去离子水冲洗后，利用标准光刻技术，定义碳纳米管网络沟道的几何形状，并通过 O2等离子体刻蚀多余的碳纳米管，完成沟道的图形化。最后，再次采用标准光刻技术，定义源、漏电极的几何图形。采用电子束蒸发技术，沉积 5nm 的 Cr 和 50nm 的 Au 作为金属接触电极，经过剥离工艺，完成器件制备。制备完成后的柔性器件如图 2 所示。可以看出其衬底具有优异的弯折特性。3电学特性为验证所制备器件在柔性衬底上的电学特性表现，进行实验测试。首先得到所制备器件的转移特性曲线，如图 3 所示。可以看出，器件展现出了典型的P 型半导体特性，即负栅压（VGS）下沟道处于导通状态，而正栅压下沟道处于截止状态。从转移特性曲线中，还可以看到器件开态的沟道电流（I阅杂）达到了42.9滋A，证明其具有良好的导通特性。此外，器件的开关比达到了约 4.2伊105，证明其具有优异的半导体开关特性，这对于实现高性能的逻辑器件具有重要意义。如图 4 所示为器件的栅极漏电测试结果曲线。可以看出，器件漏电流基本上始终维持在 pA 的量级，证明所制备的 HfO2栅介质层具有良好的电绝缘性，保证器件能够正常工作。图 圆所制备器件实物及结构原理VGS/VVGS/VCr/AuCNTHfO215nmPIAl100nm窑2窑4 期另外通过测试得到器件在不同背栅电压条件下的输出特性曲线，如图 5 所示。在线性区内，源漏电流（IDS）与源漏电压（V阅杂）之间呈线性变换，表明了碳纳米管网络薄膜与源漏电极之间的良好欧姆接触。随着 VDS继续负向增大，输出特性进入饱和区，IDS近似保持不变，这与典型 P 型硅基晶体管的输出特性基本一致。上述结果证明了所制备器件在柔性衬底上依然表现出了优异的晶体管电学特性。进一步对器件的耐弯折特性进行验证。将器件按照 90毅进行弯折，并测试分析不同弯折条件下器件的转移特性。图 6 为弯折 200 次前后的器件转移特性曲线。从结果可以看出，在 200 次弯折之后，器件仍能表现出典型的 P 型半导体开关特性，证明器件在连续机械形变后仍能维持一定的电学特性。同时也可看到器件开态的沟道电流从初始值下降了 32滋A。图 7 为器件开关比与弯折次数的对应关系。随着弯折次数的增加，电流开关比从 4.2伊105下降到2.8伊104，这是由机械弯折对金属电极造成损伤而导致开态电流降低所引起的。对此可以考虑采用柔性电极材料取代传统金属电极来提高性能稳定性。然而无论如何，所制备的柔性单壁碳纳米管晶体管器件在 200 次弯折之后仍表现出了 104以上的开关比，证明其具有良好的抗机械形变特性，为未来设计高性能柔性电子器件提供了思路。4结束语本研究探讨了基于单壁碳纳米管网络的柔性场效应晶体管器件的理论及实际优点，在实验中，此类器件表现出了优异的电学特性，如高开关比等。通过对器件弯折前后性能的对比，可以验证所制备的柔性晶体管器件在 200 次弯折之后，仍能表现出良好的电学特性，其开关比维持在 104以上，证明所提出的柔性场效应晶体管的制备方法的可行性。该器件制备方法在高性能柔性电子器件的相关技术领域有很大的应用潜力。参考文献：1GAO Li.Flexible device applications of 2D semiconductorsJ.Small,2017,13(35):1603994 1-15.2GAO Wei,OTA Hiroki,KIRIYA Daisuke,et al.Flexibleelectronics toward wearable sensingJ.Accounts of Chemi-cal Research,2019,52(3):523-533.3LING Haifeng,LIU Shenghua,ZHENG Zijian,et al.Orga-nic flexible electronicsJ.Small Methods,2018,2(10):1800070 1-33.4KUMAR S,PAVELYEV V,TRIPATHI N,et al.Review-recent advances in the development of carbon nanotubesbased flexible sensorsJ.Journal of the ElectrochemicalSociety,2020,167(4):047506.5PARK S,VOSGUERICHIAN M,BAO Zhenan.A review offabrication and applications of carbon nanotube film-basedflexible 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