【摘要】：單壁碳納米管薄膜具有優(yōu)異的電學和力學性質(zhì),作為未來電子器件的半導體溝道材料具有獨特的優(yōu)勢。由于受空氣環(huán)境中氧氣和水分子的影響,基于碳納米管的場效應晶體管一般表現(xiàn)為P型導電,因此,為了實現(xiàn)與傳統(tǒng)電路設計兼容的互補型金屬氧化物半導體(CMOS)結(jié)構,本文發(fā)展了一種性能穩(wěn)定、不需要高溫、與光刻工藝兼容的N型碳納米管薄膜晶體管制備方法,主要的研究內(nèi)容如下:1)針對碳納米管薄膜晶體管(CNT-TFT),提出一種新的雙層介電層結(jié)構,利用電子束蒸發(fā)制備氧化鎂(MgO)薄膜結(jié)合原子層沉積(ALD)制備高介電常數(shù)氧化物薄膜氧化鋁(Al_2O_3)或者氧化鉿(HfO_2),在120℃或90℃的低溫環(huán)境下,分別在柔性PET襯底和傳統(tǒng)硅襯底上制備了性能長期穩(wěn)定的N型CNT-TFT器件。硅襯底上N型器件平均遷移率為14.9±5.2cm2/Vs,開關比為104.7,空氣環(huán)境中104天后性質(zhì)保持不變;柔性襯底上制備的N型TFT器件平均遷移率7.07±1.73cm2/Vs,開關比大于103。2)利用MgO/Al_2O_3(或者HfO_2)雙層結(jié)構制備過程不需要高溫條件、兼容微加工標準工藝的優(yōu)勢,將獨立頂柵結(jié)構的P型和N型器件集成到一起,制備了CMOS反向器、或非門和與非門電路,很好地完成了相應的電路功能,CMOS反向器增益23。3)通過研究MgO層和Al_2O_3(或者HfO_2)層對器件電學行為的影響,發(fā)現(xiàn)MgO/Al_2O_3(或者HfO_2)雙層結(jié)構能制備性能穩(wěn)定的N型碳納米管薄膜晶體管的原因包括:氧化鎂吸收水分子,減少了抑制電子電導的束縛態(tài)密度;MgO吸收水分子后整個體系費米能級上升,碳納米管中原來的空穴載流子被耗盡;Al_2O_3(或者HfO_2)層中的固定正電荷對碳納米管溝道產(chǎn)生靜電摻雜作用,并阻止氧氣和水分子的再次吸附,保證器件性能穩(wěn)定。4)研究了雙極性碳納米管薄膜晶體管的多階數(shù)據(jù)存儲特性,通過選擇合適的“擦/寫”脈沖組合,實現(xiàn)了任意兩個存儲態(tài)之間的直接轉(zhuǎn)換。通過測量經(jīng)歷“擦/寫”脈沖之后器件電導與“擦/寫”脈沖幅度和寬度的關系發(fā)現(xiàn),對給定器件,減小工作電壓和提高轉(zhuǎn)換速度之間需要折中。本論文的研究為推動碳納米管薄膜晶體管數(shù)字集成電路的實現(xiàn)提供了一種可行的方案。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN321.5;TB383.1

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