碳纳米管薄膜晶体管极性调控及柔性器件制备

发布时间：2019-04-21 20:17

【摘要】：单壁碳纳米管薄膜具有优异的电学和力学性质,作为未来电子器件的半导体沟道材料具有独特的优势。由于受空气环境中氧气和水分子的影响,基于碳纳米管的场效应晶体管一般表现为P型导电,因此,为了实现与传统电路设计兼容的互补型金属氧化物半导体(CMOS)结构,本文发展了一种性能稳定、不需要高温、与光刻工艺兼容的N型碳纳米管薄膜晶体管制备方法,主要的研究内容如下:1)针对碳纳米管薄膜晶体管(CNT-TFT),提出一种新的双层介电层结构,利用电子束蒸发制备氧化镁(MgO)薄膜结合原子层沉积(ALD)制备高介电常数氧化物薄膜氧化铝(Al_2O_3)或者氧化铪(HfO_2),在120℃或90℃的低温环境下,分别在柔性PET衬底和传统硅衬底上制备了性能长期稳定的N型CNT-TFT器件。硅衬底上N型器件平均迁移率为14.9±5.2cm2/Vs,开关比为104.7,空气环境中104天后性质保持不变;柔性衬底上制备的N型TFT器件平均迁移率7.07±1.73cm2/Vs,开关比大于103。2)利用MgO/Al_2O_3(或者HfO_2)双层结构制备过程不需要高温条件、兼容微加工标准工艺的优势,将独立顶栅结构的P型和N型器件集成到一起,制备了CMOS反向器、或非门和与非门电路,很好地完成了相应的电路功能,CMOS反向器增益23。3)通过研究MgO层和Al_2O_3(或者HfO_2)层对器件电学行为的影响,发现MgO/Al_2O_3(或者HfO_2)双层结构能制备性能稳定的N型碳纳米管薄膜晶体管的原因包括:氧化镁吸收水分子,减少了抑制电子电导的束缚态密度;MgO吸收水分子后整个体系费米能级上升,碳纳米管中原来的空穴载流子被耗尽;Al_2O_3(或者HfO_2)层中的固定正电荷对碳纳米管沟道产生静电掺杂作用,并阻止氧气和水分子的再次吸附,保证器件性能稳定。4)研究了双极性碳纳米管薄膜晶体管的多阶数据存储特性,通过选择合适的“擦/写”脉冲组合,实现了任意两个存储态之间的直接转换。通过测量经历“擦/写”脉冲之后器件电导与“擦/写”脉冲幅度和宽度的关系发现,对给定器件,减小工作电压和提高转换速度之间需要折中。本论文的研究为推动碳纳米管薄膜晶体管数字集成电路的实现提供了一种可行的方案。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN321.5;TB383.1

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本文编号：2462521