双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管制造技术

本实用新型专利技术涉及双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管。在顶栅、底栅栅压不变情况下，通过改变底栅栅压的大小使得沟道电导可调，通过改变顶栅栅压的极性使得沟道导电类型可调。本实用新型专利技术即可制备在硬质衬底也可制备在柔性衬底上，可以进一步构建逻辑门电路。由于采用随机网络做为导电沟道，加工制备方法简单，便于批量规模加工，同时有效克服了单根纳米管制备的器件人工组装、个体差异、器件性能不一致、定位难以及生产效率低等缺点。本实用新型专利技术双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的电流的开关比值理论上大于105。可应用于纳米集成电路。该器件在纳米电子学和柔性纳米电子学领域有广泛的应用价值。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于柔性纳米电子学
，具体涉及一种双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的结构设计。
技术介绍
传统的“由上至下”(top-down)的工艺技术是在50年代后半期硅平面晶体管技术和更早的金属真空镀膜等技术基础上发展起来的。主要结合硅片制备、掩膜技术、半导体掺杂技术等技术，以光刻和等离子体刻蚀等方法为基础的半导体器件的制作方法。一般来说，都是在已经准备好的材料层上，通过刻蚀和沉积等方式，制作出所需要的图案。因此被称为“由上至下”(top-down)方法。目前，所有大规模集成电路、电子芯片和电子元件等的制作均是使用的这种方法。其制作工艺的精确度较高，可达到亚微米级，且器件定位准确。 但是由于工艺本身的限制，这种方法也有不可逾越的障碍。如由于光刻工艺使用光为主要工具，随着器件的减小，光的衍射和干涉等特性进一步表现出来，因此加工的精确度难以进一步提高；半导体器件和集成电路的复杂程度不断提高，使制作过程越来越复杂，制作成本也随之提高。目前，一般的集成电路都要经过十次以上的光刻才能完成；传统技术受工艺的限制，无法在器件中加入新的材料，如纳米线、纳米管等，阻碍了集成技术的进一步发展。随着纳米技术的发展，新的工艺技术也随之产生。纳米器件的“由下至上”(bottom-up)制作工艺，是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的。“由下至上”(bottom-up)制作工艺是指在衬底之上加上纳米材料，如各种材料的纳米线、纳米管等，再在纳米材料的基础之上制作电极等结构，或者制作好电极后，接放置上纳米线、纳米管等纳米材料从而制作成具有一定功能的电子器件。这种工艺是将已经成型的材料放在衬底之上，不同于传统的“由上至下”(top-down)工艺。形象地说就像垒积木一样，将材料一层层搭建到一起。事实上，如果我们用单根纳米管构建晶体管，虽然理论上它的性能可以轻松超过现今硅基晶体管的性能。但是单根纳米管难普及存在一个主要障碍即其制造工艺难度极大。此外，单根纳米管制备的器件往往需要人工组装，因此可能要用几天的时间才能制作完成，大大降低了生产效率。另外，这类器件还存在着个体差异的问题，各纳米管的形状和构型总是略有差别，因此不同器件的性能通常也不一致。因此，这类单根碳纳米管不会取代硅和铜。尽管如此，由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色，而且它的尺寸只有分子大小，如果定位等问题可以得到解决，纳米电子器件有望将集成度提高至1012/cm2。近年来，科学家一直在全力探索如何制造成本低廉、功能多样的柔性电子产品，碳纳米管在电子领域的迅速崛起恰好为这一研究方向注入了新的活力。由于碳纳米管具有独特的形状和电子性能，极有希望成为未来电子元件制造的主要原材料。而由碳纳米管制作的柔性、透明导电涂层有望加快柔性显示器和电子纸张的开发进程。
技术实现思路
为了克服现有纳米器件结构设计和制备技术的不足，本技术提供一种性能优秀的双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管。实现上述目的的技术解决方案如下。双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三层外层12、中层11和内层10 ；所述内层10中部设有底栅电极9 ；所述底栅电极9中部向上呈阶梯状的拱形，底栅电极9上部依次设有底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7，所述底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7的形状与底栅电极9相同，即中部向上呈阶梯状的拱形；所述碳纳米管随即网络薄膜层7上部呈阶梯状的拱形的两侧分别设有漏电极5和源电极6 ；所述漏电极5和源电极6的顶部设有二氧化铪薄膜层 4 ；与漏电极5对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有漏电极引线13，与源电极6对应的二氧化铪薄膜层4的顶部设有源电极引线16 ；与碳纳米管随即网络薄膜层7对应的二氧化铪薄膜层4顶部依次设有顶栅电极3和顶栅电极引线15 ；所述漏电极引线13、顶栅电极引线15 和源电极引线16相互平行；底栅电极9的电极引线为14位于漏电极引线13、顶栅电极引线 15和源电极引线16的后部，且垂直于漏电极引线13、顶栅电极引线15和源电极引线16。所述外层12、中层11和内层10材料分别为聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚氨酯 (Polyurethane, PU)、聚酰胺酸(Polyamic Acid, PAA)；所述顶栅电极3材料为硅；所述底栅电极9材料为金(Au);所述漏电极5和源电极6材料分别为金，厚度为30nm ；所述底栅绝缘层8材料为二氧化铪(HfO2)；所述二氧化铪薄膜层4的厚度为IOnm以内。本技术的双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管，在顶栅压不变情况下，通过改变底栅栅压的大小使得沟道电导可调，在底栅栅压不变情况下，通过改变顶栅栅压的极性使得沟道导电类型可调。本技术即可制备在硬质衬底也可制备在柔性衬底上，可以进一步构建逻辑门电路。由于采用随机网络做为导电沟道，加工制备方法简单， 便于批量规模加工，同时有效克服了单根纳米管制备的器件往往需要人工组装、个体差异、 器件性能通常不一致、定位难以及生产效率低等缺点。可应用于纳米集成电路。该器件在纳米电子学和柔性纳米电子学领域有广泛的应用价值。本技术双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管场效应晶体管的电流的开关比值理论上大于105，且底栅极所加电压为正向电压，顶栅极的电压在0 —-12V之间变化时，漏电极和源电极之间的电流可以实现有效夹断；底栅极为负向电压，顶栅极电压在O —-12V， 导电沟道电导增强。附图说明图1为本技术结构示意图。图2为在硅基上重掺杂上层硅示意图。图3为制成顶栅电极3示意图。图4为制备二氧化铪(HfO2)绝缘层4示意图。图5为制备漏电极5、源电极6示意图。图6为制备碳纳米管随即网络薄膜层7示意图。图7为使部分漏电极5、部分源电极6和部分二氧化铪绝缘层4暴露在外示意图。图8为制备二氧化铪(HfO2)顶栅绝缘薄膜层8示意图。图9为光刻形成底栅电极9示意图。图10为湿法腐蚀去除二氧化铪(HfO2)顶栅绝缘薄膜层8两侧部分的示意图。图11为制备柔性基底的内层10的示意图。图12为制备柔性基底的中层11的示意图。图13为制备柔性基底的外层12的示意图。图14为去除硅基的示意图。图15为设有漏电极引线、底栅电极引线、顶栅电极引线和源电极引线示意图。图1-15中序号衬底层1、二氧化硅层2、顶栅电极3、二氧化铪薄膜层4、漏电极 5、源电极6、碳纳米管随即网络薄膜层7、底栅绝缘层8、底栅电极9、内层10、中层11、外层 12、漏电极引线13、底栅电极引线14、顶栅电极引线15、源电极引线16。具体实施方式以下结合附图，通过实施例对本技术作进一步地说明。实施例参见图1，双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管包括U型的柔性基底，所述柔性基底共分三层外层12、中层11和内层10 ；所述内层10中部设有底栅电极 9 ；所述底栅电极9中部向上呈阶梯状的拱形，底栅电极9上部依次设有底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7，所述底栅绝缘层8和碳纳米管随即网络薄膜层7的形状与底栅电极9相同，即中部向上呈阶梯状的拱形；所述碳纳米管随即网络薄膜层7上部呈阶梯状的拱形的两侧分别设有漏电极5和源电极6 ；所述漏电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．双栅沟道导电类型可调单壁碳纳米管的场效应晶体管，其特征在于：包括Ｕ型的柔性基底，所述柔性基底共分三层：外层（１２）、中层（１１）和内层（１０）；所述内层（１０）中部设有底栅电极（９）；所述底栅电极（９）中部向上呈阶梯状的拱形，底栅电极（９）上部依次设有底栅绝缘层（８）和碳纳米管随即网络薄膜层（７），所述底栅绝缘层（８）和碳纳米管随即网络薄膜层（７）的形状与底栅电极（９）相同，即中部向上呈阶梯状的拱形；所述碳纳米管随即网络薄膜层（７）上部呈阶梯状的拱形的两侧分别设有漏电极（５）和源电极（６）；所述漏电极（５）和源电极（６）的顶部设有二氧化铪薄膜层（４）；与漏电极（５）对应的二氧化铪薄膜层（４）的顶部设有漏电极引线（１３），与源电极（６）对应的二氧化铪薄膜层（４）的顶部设有源电极引线（１６）；与碳纳米管随即网络薄膜层（７）对应的二氧化铪薄膜层（４）顶部依次设有顶栅电极（３）和顶栅电极引线（１５）；所述漏电极引线（１３）、顶栅电极引线（１５）和源电极引线（１６）相互平行；底栅电极（９）的电极引线为（１４）位于漏电极引线（１３）、顶栅电极引线（１５）和源电极引线（１６）的后部，且垂直于漏电极引线（１３）、顶栅电极引线（１５）和源电极引线（１６）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许高斌，陈兴，周琪，王鹏，常永嘉，汪祖民，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：实用新型
国别省市：34