張 靜,李夢(mèng)達(dá),,朱慧平,王 磊,彭松昂,陸 芃,李曉靜,王艷蓉,李 博,閆 江

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,北京 100144;2. 中國科學(xué)院 微電子研究所; 3. 中國科學(xué)院 抗輻照器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室: 北京 100029)

集成電路產(chǎn)業(yè)在追求低成本、高性能和高集成的過程中,不斷縮小關(guān)鍵尺寸。然而,隨著CMOS工藝技術(shù)中關(guān)鍵尺寸逐漸接近物理極限,人們對(duì)新材料與新結(jié)構(gòu)探索的興趣變得越來越濃厚。近年來,低維材料作為晶體管溝道材料的研究引起了廣泛關(guān)注[1-3]。碳納米管(carbon nanotube, CNT)具有超小的尺寸和優(yōu)異的電性能[4-8],是最有望延續(xù)摩爾定律的候選材料之一。

目前,已有大量學(xué)者針對(duì)CNT材料制備[9]、CNT-金屬接觸[10-11]及網(wǎng)絡(luò)狀碳納米管薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(carbon nanotube thin film field effect transistor, CNT-TFT)柵結(jié)構(gòu)和柵介質(zhì)[12-13]等相關(guān)問題進(jìn)行了大量研究。然而,環(huán)境溫度變化對(duì)CNT-TFT性能影響的研究卻鮮有報(bào)道,為實(shí)現(xiàn)CNT-TFT規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的目標(biāo),CNT-TFT電學(xué)性能受溫度影響機(jī)制的探索也必不可少。通過無摻雜工藝制造的CNT-TFT,可避免因溫度過低雜質(zhì)無法電離而引起的性能退化[14],因此,CNT-TFT在低溫下的電學(xué)特性或許會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。雖然,單根CNT器件在低溫下已展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能[14],但由于CNT-TFT與單根CNT器件存在結(jié)構(gòu)上的差異,因此,需對(duì)低溫下CNT-TFT的特性進(jìn)行研究。此外,與CNT-TFT器件相比,單根CNT器件溝道內(nèi)不包含CNT-CNT結(jié),結(jié)處電阻隨溫度變化對(duì)器件的影響也未被包含在內(nèi)。同時(shí),CNT薄膜的電阻受CNT結(jié)的顯著影響,與溫度成正相關(guān)[14-16],這與單根CNT所展示的溫度特性截然相反。因此,研究環(huán)境溫度變化對(duì)CNT-TFT電學(xué)特性的影響機(jī)制對(duì)CNT-TFT的工作溫度從室溫向低溫的拓展是必要的,也有益于CNT-TFT在深空探測(cè)及極地探索等極端低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

本文采用CNT網(wǎng)絡(luò)薄膜制備了CNT-TFT,基于該器件研究了溫度為100～300 K的器件電學(xué)特性。結(jié)果表明,由于CNT-CNT結(jié)和CNT-金屬結(jié)處的輸運(yùn)效率會(huì)受溫度的顯著影響,導(dǎo)致CNT-TFT的跨導(dǎo)Gm隨溫度下降而降低。此外,界面俘獲中心的俘獲概率也將隨溫度的降低而下降,導(dǎo)致閾值電壓Vth和亞閾值擺幅SS與溫度成正相關(guān)。開態(tài)電流Ion的變化則是Vth和Gm共同影響的結(jié)果。

1 CNT-TFT結(jié)構(gòu)與測(cè)試表征

1.1 CNT薄膜與CNT-TFT

本文所采用的CNT-TFT是寬長比W∶L=20 μm∶20 μm的頂柵器件,圖1為CNT-TFT的結(jié)構(gòu)。圖1中,CNT晶圓購自北京華碳元芯電子科技有限公司。由圖1可見,CNT薄膜具有較高的致密性和均一性。

圖1 CNT-TFT的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CNT-TFT

1.2 CNT-TFT室溫電學(xué)特性

CNT-TFT的基本電學(xué)特性采用Keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行表征,測(cè)試包括轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。圖 2為CNT-TFT的電學(xué)特性曲線。由圖2可見,漏端電流ID隨著柵極電壓VG的減小而增大,表明器件呈P型特性,這與Pd接觸的CNT-TFT器件特性一致。同時(shí),較高的開關(guān)比(>105)及較小的亞閾值擺幅(～65.6 mV)表明,CNT-TFT的柵極對(duì)源極/漏極電流具有良好的調(diào)節(jié)作用。

(a) Transfer characteristic curve of CNT-TFT for source-drain voltage of -0.5V

(b) Output characteristic curves of CNT-TFT at different gate voltages

1.3 CNT-TFT低溫電學(xué)特性測(cè)試

CNT-TFT低溫電學(xué)特性表征采用低溫真空探針臺(tái)和Keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀聯(lián)合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。CNT-TFT樣品放置在真空探針臺(tái)測(cè)試腔內(nèi),為避免氣氛環(huán)境變化對(duì)器件性能的影響,待腔體內(nèi)真空度穩(wěn)定在1×10-6mbar(1 bar=1×105Pa), 0.5 h后再進(jìn)行變溫電學(xué)特性測(cè)試。先對(duì)器件進(jìn)行室溫(300 K)電學(xué)特性測(cè)試,再通過液氦對(duì)探針臺(tái)進(jìn)行降溫,當(dāng)溫度分別穩(wěn)定在250,200,150,100 K時(shí),再對(duì)器件電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試,最終獲得了不同溫度時(shí),CNT-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖3所示。其中,轉(zhuǎn)移特性曲線測(cè)量時(shí)的源漏電壓為-0.5 V,柵極電壓掃描范圍為-1～0.5 V。由圖3可見,轉(zhuǎn)移特性曲線隨溫度降低而向左漂移,同時(shí)開態(tài)電流減小。

圖3 溫度為100～300 K時(shí),CNT-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線Fig.3 Transfer characteristic curve of CNT-TFT at temperature ranging from 100 k to 300 K

2 CNT-TFT低溫電學(xué)特性分析

為探討器件電學(xué)性能的變化,本文根據(jù)溫度為100～300 K時(shí)的CNT-TFT轉(zhuǎn)移特性曲線,提取了開態(tài)電流(Ion,VDS=-0.5 V,VG=-1 V)、跨導(dǎo)Gm、閾值電壓Vth和亞閾值擺幅SS隨溫度T的變化關(guān)系,如圖4所示。

(a) Ion vs. T

(b) Gm vs. T

(c) Vth vs. T

(d) SS vs. T

由圖4(a)可見,Ion隨溫度的降低而減小。本文使用的器件是圖1(a)中的氧化釔柵介質(zhì)的頂柵 CNT-TFT,該器件是一種無摻雜器件,器件的開啟和關(guān)斷依賴于源漏金屬與CNT的接觸勢(shì)壘。在金屬-半導(dǎo)體接觸模型中通常將電流的組成分為越過勢(shì)壘的熱電子發(fā)射(TE)、費(fèi)米能級(jí)附近的場(chǎng)發(fā)射(FE)及TE和FE之間能量的熱場(chǎng)發(fā)射(TFE)3類[18]。已有文獻(xiàn)表明CNT-金屬結(jié)的發(fā)射是由熱發(fā)射所主導(dǎo)[19],熱發(fā)射電流的形成與溫度呈強(qiáng)相關(guān)性,因此,CNT-TFT的Ion隨溫度的降低基本呈線性下降關(guān)系。

由圖4(b)可見,Gm隨溫度的降低而降低,同時(shí),隨著溫度的降低,Gm下降的速度也在減緩。根據(jù)空間分布,溫度降低對(duì)Gm的影響成分可以分為CNT、CNT-金屬接觸區(qū)域及CNT與CNT相交處的結(jié)3部分。在CNT中遷移時(shí),載流子受聲子散射隨溫度降低而減弱[14-15],遷移率減小,進(jìn)一步使Gm降低;而CNT-金屬接觸區(qū)域的載流子輸運(yùn)以TE為主,溫度降低會(huì)使載流子的能量減小,降低熱發(fā)射效率,進(jìn)一步使整體Gm降低[16];在流經(jīng)溝道中CNT與CNT結(jié)處時(shí),載流子以熱輔助隧穿的形式通過[19],結(jié)處電流同樣也與溫度成正相關(guān),因此,溫度降低時(shí),CNT結(jié)阻礙的增大同樣也會(huì)大幅降低Gm。此外,不同結(jié)構(gòu)的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管,Gm的影響因素也不同。本文所采用的器件溝道中存在大量的CNT結(jié),溫度降低時(shí),結(jié)處對(duì)Gm的影響成為主要因素。因此,可觀察到Gm隨溫度降低而顯著下降。

考慮到Vth也是Ion的主要影響因素,本文對(duì)Vth的變化進(jìn)行了分析。為保證一致性,應(yīng)用相同的方法來提取不同溫度下的Vth。由圖4(c)可見,隨著溫度的升高,Vth出現(xiàn)了單調(diào)的左移,同時(shí),Vth隨溫度變化關(guān)系曲線的斜率變化也較為緩慢,表明Vth與溫度的強(qiáng)相關(guān)性。而Vth的變化主要來源于氧化層與界面附近電荷分布的改變。CNT-TFT中常見的電荷存在的形式包括氧化層固定電荷、氧化層陷阱電荷及界面陷阱電荷。氧化層固定電荷是一種在CNT/介質(zhì)層表面附近的電荷,主要受氧化過程中氧化氣氛、冷卻狀態(tài)及材料的晶向所決定,低溫冷卻并不會(huì)造成顯著影響;氧化層陷阱電荷是被限制在氧化層中的空穴或電子,通常是由電離輻射、氧化層擊穿及隧穿效應(yīng)等因素而引入,可在高溫下退火去除[20],低溫環(huán)境很難產(chǎn)生影響;界面陷阱是一種CNT界面附近,由俘獲和釋放隧穿而來的載流子造成的缺陷或雜質(zhì),當(dāng)溫度降低時(shí),界面陷阱俘獲和釋放載流子的概率會(huì)降低,使CNT內(nèi)部電荷分布改變,進(jìn)一步影響Vth。圖4(c)中Vth向左漂移,表明溫度降低后,界面俘獲電荷的凈剩正電荷在增加。

此外,亞閾值擺幅SS的變化也與界面態(tài)息息相關(guān),由有源區(qū)隧穿而來的載流子俘獲和釋放的俘獲中心數(shù)目所決定。俘獲中心的來源是CNT界面處的缺陷和雜質(zhì)原子,通常缺陷和雜質(zhì)原子的數(shù)量并不受溫度的影響,但隨著溫度的降低,俘獲中心俘獲載流子的概率將大大降低,即參與載流子捕獲和釋放的俘獲中心數(shù)目減少,因此,觀察到SS隨溫度降低成下降的趨勢(shì),如圖4(d)所示。

3 結(jié)論

本文基于CNT網(wǎng)絡(luò)薄膜制備了CNT-TFT,并測(cè)量了該器件在低溫下的電學(xué)特性。由于 CNT-TFT中CNT-金屬結(jié)和CNT-CNT結(jié)處的載流子的輸運(yùn)效率均與溫度呈正相關(guān),觀察到Gm隨溫度的降低而顯著下降,進(jìn)一步導(dǎo)致Ion減小。此外,溫度降低后還觀察到Vth的負(fù)向漂移,這是由于界面俘獲中心的俘獲概率隨溫度下降,導(dǎo)致界面俘獲電荷減少引起的。SS隨溫度的降低可證明界面陷阱俘獲概率隨溫度的降低而下降。