一种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管及其制备方法。该晶体管单元结构为：底层为底电极层(1)；中间层依次为铁电薄膜绝缘栅层(2)和规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)，规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)上为顶层，顶层为晶体管源极(4)和漏极(5)；所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。该铁电场效应晶体管开态电流大、开关比大、载流子迁移率高、开启电压小、存储窗口宽，同时具有结构简单、不需要缓冲层、铁电层和半导体层界面接触好、容易实现大面积及柔性器件的优势。所述的制备方法工艺简单、操作方便、不需要昂贵设备、成本低廉，易于大面积、规模化工业生产。

【技术实现步骤摘要】
—种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于存储器
，尤其涉及。
技术介绍
铁电存储器具有非挥发性、低功率、高读写速率、高存储密度、优异的抗辐射等优点，在电子信息、航空航天、仪器仪表和国防等领域具有非常广阔的应用前景。晶体管型铁电存储器是一种较为理想的铁电存储器构型，其单元仅由一个铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor,简称FeFET)组成，与电容型铁电存储器相比，它具有非破坏性读出、结构简单、存储密度更高、功耗更低等优点。铁电场效应晶体管是采用铁电薄膜作为晶体管的绝缘栅层，代替传统的作为绝缘层的SiO2薄膜。典型的铁电场效应晶体管器件的物理结构是金属/铁电/硅(MFS)或者金属/铁电/绝缘层/硅(MFIS)顶栅结构。这种传统的顶栅结构的铁电场效应晶体管存在界面扩散、退极化场和制备工艺复杂等问题，制约了其进一步的应用。近年来，研究者开发了一种新型的底栅结构铁电场效应晶体管。该结构铁电场效应晶体管相比顶栅结构铁电场效应晶体管来说，制备工艺简单、不需要缓冲层、铁电层和半导体层直接接触，并且容易实现全外延结构和柔性器件。然而，底栅结构铁电场效应晶体管通常选用Zn0、Sn02等氧化物半导体作为沟道层材料，在氧化物半导体和铁电薄膜界面容易产生过多的缺陷，这些都导致不能获得优良性能的底栅结构铁电场效应晶体管。碳纳米管是一种新型的沟道材料，具有优异的导电性、较高的载流子迁移率、价格便宜，而且理想的碳纳米管表面没有悬空键从而可以减少碳纳米管/铁电薄膜界面反应形成良好的界面，因此，研究者最近开发了碳纳米管沟道铁电场效应晶体管。但是，目前用作铁电场效应晶体管沟道的碳纳米管的形态是单根的碳纳米管或者网络状的碳纳米管。单根碳纳米管作为铁电场效应晶体管的沟道层时，被选用的单根碳纳米管表现出半导体性能，一般采用电子束光刻或者在原子力显微镜下操作，这些方法不仅操作繁琐复杂、设备昂贵、且源漏电极沉积困难；另外，单根碳纳米管作沟道层的铁电场效应晶体管的开态电流较小，给碳纳米管在器件方面的应用带来了极大的困难和复杂性。网络状碳纳米管作为铁电场效应晶体管的沟道层时，一般采用溶胶凝胶法制备网络状碳纳米管，其操作方法相对简单，但网络状碳纳米管沟道中混有大量金属性的碳纳米管，尽管可以获得较大的开态电流，但是这些金属性的碳纳米管很容易相互导通，从而会减小晶体管的开关比，限制了碳纳米管在器件方面的进一步应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种开态电流大、开关比大、载流子迁移率高、开启电压小、存储窗口宽，而且结构简单、不需要缓冲层、铁电层和半导体层界面接触好、容易实现柔性器件的基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管。本专利技术的另一个目的是提供一种制备工艺简单、操作方便、不需要昂贵设备、成本低，所制备的碳纳米管条纹阵列规整、结构均匀，且可实现大面积制备的铁电场效应晶体管的制备方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。—种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管，该晶体管单元结构为:底层为底电极层(I);中间层依次为铁电薄膜绝缘栅层(2)和规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3);规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)上为顶层，顶层为晶体管源极(4)和漏极(5);所述的碳纳米管为单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(BWCNT)或多壁碳纳米管(MWCNT)。碳纳米管条纹的宽度为0.05-100 μ m,碳纳米管条纹的厚度为50_500nm，碳纳米管条纹的间距宽度为15-70 μ m。源极(4)和漏极(5)之间的距离为晶体管沟道长度,其值为0.05-2000 μ m ;垂直于晶体管沟道长度的源极(4)和漏极(5)的宽度是晶体管沟道宽度，其值为50-5000 μ m。所述的底电极层材料为Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3中的任意一种。所述的铁电薄膜材料为钛酸铅(PTO)、钛酸钡(BTO)、钽酸锶铋(SBT)、钛酸铋(BIT)、铁酸铋(BFO)中的任意一种，或为掺杂La、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一种或几种的上述铁电薄膜材料中的任意一种。所述的铁电薄膜的厚度为50_500nm。所述源极和漏极的材料为Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3或石墨烯中的任意一种。所述铁电场效应晶体管的制备包括如下步骤:[I]采用真空蒸发镀膜法或者脉冲激光沉积法生长底电极层；[2]采用溶胶-凝胶法、激光分子束外延法、金属有机气相沉积法、脉冲激光沉积法或者磁控溅射法生长铁电薄膜绝缘栅层；[3]生长规整性碳纳米管条纹阵列沟道层:称取碳纳米管放入1，2-二氯乙烷有机溶剂中，进行超声分散得到分散溶液，之后进行离心，收集离心管中的上层分散液，得到碳纳米管前驱体溶液；将已经制备了底电极层和铁电薄膜绝缘栅层的基底倾斜置于碳纳米管前驱体溶液中，连同盛有前驱体溶液的装置一起放入恒温箱中在50-90°C下进行碳纳米管恒温自组装，直到溶剂完全挥发得到规整排列的碳纳米管条纹阵列；[4]在规整排列的碳纳米管条纹阵列上面放上掩膜板，采用溅射方法生长晶体管的源极和漏极。所述的规整性碳纳米管条纹陈列的生长方法中，所述的碳纳米管前驱体溶液浓度为2-30mg/L ;所述的基底倾斜角度为60-90°为宜。本专利技术的有益效果针对现有技术中存在的问题，本专利技术首次尝试以碳纳米管条纹阵列作为铁电场效应晶体管的沟道层，且所述的碳纳米管条纹阵列是规整性的，发现本专利技术的产品具有开态电流大、开关比大、载流子迁移率高、开启电压小、存储窗□宽，而且结构简单、不需要缓冲层、铁电层和半导体层界面接触好。专利技术人通过实验对比还发现本专利技术相对单根碳纳米管基铁电场效应晶体管和网络状碳纳米管基铁电场效应晶体管来说，它同时具有大的开态电流、大的开关比、高的载流子迁移率。另外，由于所述的碳纳米管条纹阵列是规整性的，有利于后续器件的制备和应用，例如集成电路，铁电存储器等。而且本专利技术的规整性碳纳米管条纹阵列是可以通过工艺过程控制自组装而成，不需要刻蚀等昂贵繁琐的工艺，整套制备方法具有工艺简单、制备的晶体管器件性能稳定、操作方便、成本低廉的优势，有利于容易实现器件的规模化工业生产；此外，碳纳米管条纹阵列与铁电薄膜之间的界面反应少、界面缺陷少、接触性好，且铁电薄膜具有高的介电常数和大的极化。与以氧化物做半导体沟道层的铁电场效应晶体管相比，该铁电场效应晶体管具有较小的开启电压和较宽的存储窗口。此夕卜，本专利技术所述的铁电场效应晶体管为底栅结构，其单元结构简单，不需要缓冲层，对基底依赖性小，基底材料可以是硅、玻璃、蓝宝石、聚对苯二甲酸乙二醇酯，这有利于降低生产成本、拓宽应用领域和实现器件的柔性化。【附图说明】图1为基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管的单元结构示意图:1为底电极层，2为铁电薄膜绝缘栅层，3为规整性碳纳米管条纹阵列沟道层，4和5分别为源极和漏极；图2为实施例1所得的规整性碳纳米管条纹阵列形貌的金相显微镜图；图3为实施例1所得的铁电场效应晶体管的输出特性曲线；图4为实施例1所得的铁电场效应晶体管的转移特性曲线；图5为实施例1所得的铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管，其特征在于，该晶体管单元结构为：底层为底电极层(1)；中间层依次为铁电薄膜绝缘栅层(2)和规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)，规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)上为顶层，顶层为晶体管源极(4)和漏极(5)；所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种基于规整性碳纳米管条纹阵列的铁电场效应晶体管，其特征在于，该晶体管单元结构为:底层为底电极层(I);中间层依次为铁电薄膜绝缘栅层(2)和规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)，规整性碳纳米管条纹阵列沟道层(3)上为顶层，顶层为晶体管源极(4)和漏极(5);所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的铁电场效应晶体管，其特征在于，碳纳米管条纹的宽度为0.05-100 μ m，碳纳米管条纹的厚度为50-500nm，碳纳米管条纹的间距宽度为15-70 μ m。3.根据权利要求1所述的铁电场效应晶体管，其特征在于，晶体管源极(4)和漏极(5)之间的距离为0.05-1000 μ m，垂直于源极(4)和漏极(5)之间距离的晶体管沟道宽度为50-5000 μ mD4.根据权利要求1所述的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述的底电极层材料为Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3、LaNiO3、SrRuO3 中的任意一种。5.根据权利要求1所述的铁电场效应晶体管，其特征在于，所述的铁电薄膜材料为钛酸铅、钛酸钡、钽酸锶铋、钛酸铋、铁酸铋中的任意一种，或为掺杂La、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一种或几种的所述铁电薄膜材料中的任意一种。6.根据权利要求1所述的铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟向丽，刘盼盼，宋宏甲，王金斌，李波，周益春，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43