[发明专利]使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法，该方法为:1)衬底上设置碳纳米管；2)在碳纳米管上划分出源，漏极区域，并在源，漏极区域制备金属电极；3)在沟道区域上划分出栅极区域，去掉除多余的碳纳米管；4)在沟道区域上制备栅介质；5)在栅介质上制备栅金属，从而完成晶体管的制备。本发明通过使用SiC材料衬底提升散热性能，降低由于温度上升引起的声子散射，有效减少了载流子迁移率降低，提升器件性能，提高器件工作的稳定性。

技术领域

本发明属于微电子技术领域。

背景技术

半导体型单壁碳纳米管具有准一维几何结构，本征载流子迁移率(可达100,000cm²/Vs)，是实现高性能晶体管的理想材料。其具有带隙、载流子迁移率高、承载电流密度大、导热性能高、化学稳定性好、机械强度和弹性高等特点，被国际半导体产业界认为是最有前途的微电子新型器件材料。人们已经基于碳纳米管开发出逻辑电路单元，实现了完整的计算机原型电路和包含计算和存储的三维集成电路，在数字电路领域的应用取得重大突破。由于碳纳米管具有的高载流子迁移率，在射频器件方面，由于单壁碳纳米管的一维量子特性，相比较与传统体材料半导体，其态密度小，仅具有不连续的范霍夫奇点，本征电容极小，作为追求高频性能的场效应晶体管的沟道材料，可有效避免短沟道效应。因此，碳纳米管也具备实现具有独特优势的高性能射频场效应晶体管(FET)的巨大潜力。

对于晶体管而言，器件沟道内载流子迁移率的大小对器件的时延特性和频率特性具有决定性的影响，而载流子在输运过程中受到的各种散射会显著降低迁移率，引起综合性能的退化，并增加功率耗散，特别在器件集成度不断提高的背景下，功耗的增加对电路的性能和可靠性也产生巨大压力。

碳纳米管晶体管器件内的载流子散射来源主要有内部的声学声子散射(低电场下)、光学声子散射(高电场下)，以及碳纳米管与衬底材料界面上的发生的散射现象。声学声子散射造成的平均自由程与温度(T)成反比(l_ac(T)＝l_ac,300K*T₃₀₀/T)，光学声子散射的平均自由程则与温度的平方成反比(l_op(T)～1/T²)。因此当温度升高时，声子散射加剧，载流子迁移率降低，电流减小(I～I₀*l_ac/(l_ac+L))。由于碳纳米管电流承载力高，横截面尺寸小，本征电阻高，当电流通过时，焦耳效应引起的温度升高现象明显，沟道内声子散射加剧。

对于单壁碳纳米管来说，与衬底材料界面间的散射效应十分突出。这是由于单壁碳纳米管具有准一维结构，只有一个原子层厚，因此与传统体材料不同，载流子沿管壁输运时，更容易受到衬底与碳纳米管界面散射带来的影响。理论计算显示，当温度在100K以上时，衬底与单壁碳纳米管界面之间的散射效应显著，低电场下可能主导碳纳米管沟道内载流子的输运，甚至使得迁移率下降至原来的十分之一，从而引起碳纳米管晶体管器件电流明显衰退，性能显著退化。

发明内容

发明目的：为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管及其制备方法。

技术方案：本发明提供了一种使用SiC基材料作为衬底的碳纳米管晶体管，包括：衬底和碳纳米管；所述衬底采用SiC基材料，所述SiC基材料为SiC单晶体与介质的组合，所述介质为氧化物、氮化物或者BCB，当介质为氧化物时，该氧化物不包括氧化硅；所述介质沉积在SiC单晶体上；所述碳纳米管设置在衬底上与衬底接触，所述碳纳米管上设有源极区域，漏极区域和栅极区域，所述源极区域和漏极区域上设有源极金属电极和漏极金属电极；所述栅极区域上设有栅介质，所述栅介质上设有栅金属。

进一步的，所述碳纳米管为单根单壁碳纳米管、碳纳米管取向阵列、碳纳米管网络薄膜或者碳纳米管图案，所述碳纳米管图案由碳纳米管取向阵列或者碳纳米管网络薄膜形成。