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基于高密度碳纳米管平行阵列的CMOS器件制备

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软件简介

 
随着晶体管尺寸不断缩减,摩尔定律的延续愈发艰难,寻找新的硅替代材料,

突破其尺寸缩减的限制,是现代集成电路发展的一个重要方向。碳纳米管由于其

独特的一维结构以及优异的静电控制和弹道输运性能,是有望替代半导体硅的新

一代材料。但是在碳基集成电路发展的道路上,高密度、纯半导体型的碳纳米管 阵列材料是制备出高性能的碳基集成电路的基础,具体的目标是在 2020 年左右 实现半导体型比例为 99.9999%,密度为 125 根/μm 的碳纳米管平行阵列。

本 篇围绕这 一目标进 行了 一些尝试。利用 化 学气 相沉 积法 ( CVD)制 备出 密度为 6-8 根/μm 的碳纳米管阵列,通过直接电流注入法去除其中的金属型碳管,
减少器件的关态漏电流,提高电流开关比。通过收缩的方法实现密度放大,在定 制的机器上通过一定的比例 N 的拉伸然后复原,实现碳管密度 N 倍的放大,对 于制备的器件来说,10 倍密度放大后电学性能也增大接近 10 倍。继续进行 CMOS 反相器的制备,期望实现 NMOS 与 PMOS 性能匹配。

目录

第 1 章 绪论 1
第 1 节 碳纳米管简介 .1
第 2 节 碳纳米管场效应晶体管(CNT-FET) . 6
第 3 节 论文选题思路和总体结构 . 8
第 2 章 高密度、半导体型碳纳米管阵列的制备概述 10
第 1 节 碳纳米管的制备方法及原理 .10
第 2 节 金属型和半导体型碳纳米管分离技术概述 .11
第 3 节 高密度碳纳米管的制备方法概述 .13
第 3 章 基于热流法和收缩法实现高密度纯半导体碳纳米管阵列 18
第 1 节 化学气相沉积法制备碳纳米管阵列 .18
第 2 节 纯半导体碳纳米管阵列材料的制备实验 .21
第 3 节 高密度纯半导体碳纳米管阵列的制备实验 .24
第 4 章 基于高密度半导体性碳纳米管阵列的 CMOS 制备 30
第 1 节 CMOS 反相器的制备 30
第 2 节 CMOS 反相器的性能表征33
结论 .35
致谢 .36
参考文献 38


第 1 章 绪论

第 1 节 碳纳米管简介

1.1 碳纳米管的结构

在 1991 年,日本的电子显微专家 Iijima,在透射电镜中观察到“石墨的螺
旋管”,这就是如今吸引众多研究者关注的碳纳米管 。碳纳米管是由石墨层沿

着某一特定方向卷曲形成的一维圆柱状结构。将碳纳米管依据所构成碳管的石墨


烯层数,分为多壁碳纳米管(Multi-wall nanotubes, MWNTs)和单壁碳纳米管

[2]

(single-wall nanotubes, SWNTs )。将单壁碳纳米管沿轴向方向剪开,得到碳纳 米管结构,如图 1.1 所示:


图 1.1 碳纳米管展开结构示意图


在上图中,有几个关键参数需要说明:其中 a


1


和 a2


是定义石墨烯层晶格点

阵的单位矢量;T 为沿着碳纳米管长度方向的向量,称为平移矢量;Ch 为螺旋矢 量,与 T 相互垂直,也叫作手性矢量。 是 Ch 与 a1 间的夹角,称为螺旋角或手 性角。

其中,手性矢量 Ch 可以由一组整数(n, m) 0  m n 来表示:

Ch = na1 + ma 2

1


C


h


即手性矢量的长度大小也是碳纳米管的周长 L,则有:

L= Ch a n m mn


根据周长与直径的简单关系,则碳纳米管直径 d t 可得:


d t 


L




a


n m mn


在这里 a 是晶格常数,a


0


是碳碳键的键长,约为 1.42Å,则有:


a a1  a 2


 3a0


对于手性角 的定义 Ch a1  Ch a1


cos ,得出 表达式:


=


Ch a1 Ch a1



2n m 2 n m mn


图 1.2 碳纳米管依据手性分类(a)扶手椅型(b)锯齿型(c)手性型


[3]


根据碳纳米管不同的 n、m 取值,可以对其手性有详细的划分 :

(1)当 n=m 时, = 30 ,此时手性为扶手椅型(armchair),结构如图 1.2(a)

(2)当 m=0 时, = 0 ,此时手性为锯齿型(Zigzag),如图 1.2(b)所示 (3)当 0< m <n, 0 30 ,此时为手性型,如图 1.2(c)所示

2

对于平移矢量 T,它与手性矢量 C


h

共起点 O,则表示为:


T =t1a1 t2a 2

其中 t1、t2 均为整数,由于矢量 T 的结点为第一个由 a1 和 a2 所定义的点, 利用 T 垂直于 Ch,可以得到以下条件:

Ch T nt1a mt2a (nt2 mt1)a1 a 2 0


化简得到 ( 2n m)t1


+( 2m n)t


2


0 ,先设 d


R


为 (2n m)和(2mn)的最大公约数,


则有:


进一步计算得到 T 的长度 t  T 


d


3
R


2 m n 2 n m
t
1
 , t 2 
d R d R

L ,其中 L 为碳管的周长。


1.2 碳纳米管的电子能带结构

在 1.1 中,我们研究了碳管由石墨烯卷曲形成,因而 SWNTs 的能带可以通 过对石墨烯能带结构的推导来获得 。如图 1.3(a),能带结构呈明显对称,导 带价带在六个点(狄拉克点)处相连,因而石墨烯带隙为 0,在狄拉克点上色散 关系呈圆锥形。第一布里渊区如图 1.3(b),石墨烯的倒易基矢为:


(a)


b1



 1 2  1 2   2    3   3 
(b)


图 1.3 (a)石墨烯的能带结构图,(b)石墨烯第一布里渊区

3

狄拉克点(K 点)位于呈六边形的布里渊区的六个顶点上。但由于每个 K 点 被 3 个布里渊区共有,因而在第一布里渊区中只有 2 个 K 点,而不是图中直接 画出的 6 个。

将石墨烯的能带结构带入碳纳米管中理解其能带结构时,需要注意的是,在 碳管中,如图 1.4 所示,由于碳管直径很小为纳米量级,因而沿周长方向的波矢 k 被量子化 :


k = q k q q d


q 1,


,N


而碳管长度为微米量级,与直径相比,沿着碳管轴向的波矢 k



被认为是连

续的。


图 1.4 碳纳米管的波矢方向


碳管能带可以视为 N 个沿着 k


 


方向的分立截面,切割石墨烯能带所得到的

多个子带。当这些切割面通过导带价带相接的狄拉克点时,因为在 K 点处,石 墨烯能带中没有禁带,故只要有过 K 点的情况则该碳管也为金属型;否则碳管 中就会存在禁带,则为半导体型碳纳米管。如图 1.5 所示,过 K 点作点虚线的垂


线,则两者交点到Γ点的距离为:

4 3a cos 


。若碳管为金属型,则该距离应为 k


的整数倍 。根据上文的碳管相关参数代入,得出判断为整数表达式:

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