[发明专利]一种峰值掺杂结合对称线性掺杂结构的碳纳米场效应管

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米场效应管领域，涉及峰值-对称线性掺杂(HALO-Linear)结构的碳纳米场效应管。

背景技术

随着器件尺寸的不断缩小，对器件的性能要求越来越高，人们的眼光从而转移到了新型材料之上，其中最受关注一个就是碳纳米管。碳纳米管是由石墨烯片层围成的一种管状结构。碳纳米管名称的由来是因为它的直径非常小都在纳米尺度，大约在几纳米到几十个纳米之间，同时它的长度也很小在微米量级。顾名思义，碳纳米管的结构与石墨和金刚石的一样都是碳的同素异构体即由碳六边形组成的结构。但是不同的是它是管状材料，可以看成是由片状石墨烯卷曲而成。碳纳米管可分为单壁和多壁碳纳米管，(a)为单壁碳纳米管，(b)为多壁碳纳米管。碳纳米管手性指数(n，m)能够决定碳纳米管属于哪种类型，当手性指数中n与m相等时，碳纳米管的类型为扶手型(Armchair)；当n大于m并且m＝0时，碳纳米管的类型为锯齿型(Zigzag)；当n大于m且m≠0时，碳纳米管则称为手型(Chiral)碳纳米管。

制备碳纳米管的方法主要有三种，分别为石墨电弧法、激光蒸发法和催化裂解法。第一种石墨电弧法是将惰性气体或氢气加入真空反应室中，使其具有一定的压力，同时阳极材料采用很细的石墨棒，阴极材料采用比较粗的石墨棒。在制备的过程中，电弧会放电从而不断消耗阳极石墨棒，与此同时含有纳米碳管的物质会在阴极上沉积出来；激光蒸发法是由Smalley等首次提出的，该方法的原理是，在由过渡金属和石墨组成的复合材料棒上利用激光使得该棒蒸发从而制备出多壁纳米碳管。但是由于制作成本高，并没有得到推广应用；催化裂解法是在高温下使含碳化合物如一氧化碳、甲烷等分裂为一个个独立的碳原子，然后在催化剂作用下，这些独立的碳原子附着在催化剂微粒表面上从而就形成为了碳纳米管。

在室温下，第一个碳纳米管场效应管[Tans S J,Verschueren A R M,Dekker C.Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube[J].Nature,1998,393(7):49-52.](CNTFET)是在1998年由荷兰代尔夫特理工大学Tran S J小组成功地制作而成，之后碳纳米管场效应管得到了飞速发展，更是出现了很多种CNTFET模型，但是目前占主导地位的有肖特基势垒CNTFET[Hazeghi A,Krishnamohan T,Wong,H.Schottky-barrier carbon nanotube field-effect transistor modeling[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2007,54(3):439-445.],[Guo J,Lundstrom M,Datta S.Performance projections for ballistic carbon nanotube field-effect transistors[J].Applied Physics Letters,2002,80(17):3192–3194.]和类MOS型CNTFET[Fiori G,Iannaccone G,Klimeck G.A three-dimensional simulation study of the performance of carbon nanotube field-effect transistors with doped reservoirs and realistic geometry[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2006,53(8):1782–1788.],[Orouji A A,Arefinia Z.Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effect transistor[J].Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures,2009,41(10):552-557.]。第一种结构之所以叫肖特基势垒CNTFET是因为碳纳米管和两边电极存在功函数差，所以碳纳米管两端与金属接触之处能够形成肖特基势垒。另一方面栅电压变化势垒也跟着变化，所以控制隧穿电流的大小就非常容易了。但是肖特基碳CNTFET的双极效应使得器件的性能大大降低了，这也是该结构的不足之处。第二种结构中，源极和漏极都进行了重掺杂，它们还与电极相连接，所以电极与碳纳米管之间形成欧姆接触，这时掺杂的碳纳米管和沟道碳纳米管形成功函数差，这样能带弯曲后，势垒就在在沟道中形成了。与前面提到的一样，栅电压能够控制势垒高度，从而控制电流大小。这种器件因为具有单极特性和漏电流小的特点，所以受到广泛的关注[Fiori G,Iannaccone G,Klimeck G.A three-dimensional simulation study of the performance of carbon nanotube field-effect transistors with doped reservoirs and realistic geometry[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2006,53(8):1782–1788.],[Orouji A A,Arefinia Z.Detailed simulation study of a dual material gate carbon nanotube field-effect transistor[J].Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures,2009,41(10):552-557.]。