本發明專利技術公開了一種基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管及其制備方法。該晶體管單元結構為：底層為底電極層(1)；中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)，規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5)；所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管。該鐵電場效應晶體管開態電流大、開關比大、載流子遷移率高、開啟電壓小、存儲窗口寬，同時具有結構簡單、不需要緩沖層、鐵電層和半導體層界面接觸好、容易實現大面積及柔性器件的優勢。所述的制備方法工藝簡單、操作方便、不需要昂貴設備、成本低廉，易于大面積、規模化工業生產。
【技術實現步驟摘要】
—種基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管及其制備方法
本專利技術屬于存儲器
，尤其涉及。
技術介紹
鐵電存儲器具有非揮發性、低功率、高讀寫速率、高存儲密度、優異的抗輻射等優點，在電子信息、航空航天、儀器儀表和國防等領域具有非常廣闊的應用前景。晶體管型鐵電存儲器是一種較為理想的鐵電存儲器構型，其單元僅由一個鐵電場效應晶體管(Ferroelectric field effect transistor,簡稱FeFET)組成，與電容型鐵電存儲器相比，它具有非破壞性讀出、結構簡單、存儲密度更高、功耗更低等優點。鐵電場效應晶體管是采用鐵電薄膜作為晶體管的絕緣柵層，代替傳統的作為絕緣層的SiO2薄膜。典型的鐵電場效應晶體管器件的物理結構是金屬/鐵電/硅(MFS)或者金屬/鐵電/絕緣層/硅(MFIS)頂柵結構。這種傳統的頂柵結構的鐵電場效應晶體管存在界面擴散、退極化場和制備工藝復雜等問題，制約了其進一步的應用。近年來，研究者開發了一種新型的底柵結構鐵電場效應晶體管。該結構鐵電場效應晶體管相比頂柵結構鐵電場效應晶體管來說，制備工藝簡單、不需要緩沖層、鐵電層和半導體層直接接觸，并且容易實現全外延結構和柔性器件。然而，底柵結構鐵電場效應晶體管通常選用Zn0、Sn02等氧化物半導體作為溝道層材料，在氧化物半導體和鐵電薄膜界面容易產生過多的缺陷，這些都導致不能獲得優良性能的底柵結構鐵電場效應晶體管。碳納米管是一種新型的溝道材料，具有優異的導電性、較高的載流子遷移率、價格便宜，而且理想的碳納米管表面沒有懸空鍵從而可以減少碳納米管/鐵電薄膜界面反應形成良好的界面，因此，研究者最近開發了碳納米管溝道鐵電場效應晶體管。但是，目前用作鐵電場效應晶體管溝道的碳納米管的形態是單根的碳納米管或者網絡狀的碳納米管。單根碳納米管作為鐵電場效應晶體管的溝道層時，被選用的單根碳納米管表現出半導體性能，一般采用電子束光刻或者在原子力顯微鏡下操作，這些方法不僅操作繁瑣復雜、設備昂貴、且源漏電極沉積困難；另外，單根碳納米管作溝道層的鐵電場效應晶體管的開態電流較小，給碳納米管在器件方面的應用帶來了極大的困難和復雜性。網絡狀碳納米管作為鐵電場效應晶體管的溝道層時，一般采用溶膠凝膠法制備網絡狀碳納米管，其操作方法相對簡單，但網絡狀碳納米管溝道中混有大量金屬性的碳納米管，盡管可以獲得較大的開態電流，但是這些金屬性的碳納米管很容易相互導通，從而會減小晶體管的開關比，限制了碳納米管在器件方面的進一步應用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種開態電流大、開關比大、載流子遷移率高、開啟電壓小、存儲窗口寬，而且結構簡單、不需要緩沖層、鐵電層和半導體層界面接觸好、容易實現柔性器件的基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管。本專利技術的另一個目的是提供一種制備工藝簡單、操作方便、不需要昂貴設備、成本低，所制備的碳納米管條紋陣列規整、結構均勻，且可實現大面積制備的鐵電場效應晶體管的制備方法。本專利技術的目的是通過下述技術方案實現的。—種基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管，該晶體管單元結構為:底層為底電極層(I);中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3);規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5);所述的碳納米管為單壁碳納米管(SWCNT)、雙壁碳納米管(BWCNT)或多壁碳納米管(MWCNT)。碳納米管條紋的寬度為0.05-100 μ m,碳納米管條紋的厚度為50_500nm，碳納米管條紋的間距寬度為15-70 μ m。源極(4)和漏極(5)之間的距離為晶體管溝道長度,其值為0.05-2000 μ m ;垂直于晶體管溝道長度的源極(4)和漏極(5)的寬度是晶體管溝道寬度，其值為50-5000 μ m。所述的底電極層材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3中的任意一種。所述的鐵電薄膜材料為鈦酸鉛(PTO)、鈦酸鋇(BTO)、鉭酸鍶鉍(SBT)、鈦酸鉍(BIT)、鐵酸鉍(BFO)中的任意一種，或為摻雜La、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一種或幾種的上述鐵電薄膜材料中的任意一種。所述的鐵電薄膜的厚度為50_500nm。所述源極和漏極的材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3> LaNiO3^ SrRuO3或石墨烯中的任意一種。所述鐵電場效應晶體管的制備包括如下步驟:[I]采用真空蒸發鍍膜法或者脈沖激光沉積法生長底電極層；[2]采用溶膠-凝膠法、激光分子束外延法、金屬有機氣相沉積法、脈沖激光沉積法或者磁控濺射法生長鐵電薄膜絕緣柵層；[3]生長規整性碳納米管條紋陣列溝道層:稱取碳納米管放入1，2-二氯乙烷有機溶劑中，進行超聲分散得到分散溶液，之后進行離心，收集離心管中的上層分散液，得到碳納米管前驅體溶液；將已經制備了底電極層和鐵電薄膜絕緣柵層的基底傾斜置于碳納米管前驅體溶液中，連同盛有前驅體溶液的裝置一起放入恒溫箱中在50-90°C下進行碳納米管恒溫自組裝，直到溶劑完全揮發得到規整排列的碳納米管條紋陣列；[4]在規整排列的碳納米管條紋陣列上面放上掩膜板，采用濺射方法生長晶體管的源極和漏極。所述的規整性碳納米管條紋陳列的生長方法中，所述的碳納米管前驅體溶液濃度為2-30mg/L ;所述的基底傾斜角度為60-90°為宜。本專利技術的有益效果針對現有技術中存在的問題，本專利技術首次嘗試以碳納米管條紋陣列作為鐵電場效應晶體管的溝道層，且所述的碳納米管條紋陣列是規整性的，發現本專利技術的產品具有開態電流大、開關比大、載流子遷移率高、開啟電壓小、存儲窗□寬，而且結構簡單、不需要緩沖層、鐵電層和半導體層界面接觸好。專利技術人通過實驗對比還發現本專利技術相對單根碳納米管基鐵電場效應晶體管和網絡狀碳納米管基鐵電場效應晶體管來說，它同時具有大的開態電流、大的開關比、高的載流子遷移率。另外，由于所述的碳納米管條紋陣列是規整性的，有利于后續器件的制備和應用，例如集成電路，鐵電存儲器等。而且本專利技術的規整性碳納米管條紋陣列是可以通過工藝過程控制自組裝而成，不需要刻蝕等昂貴繁瑣的工藝，整套制備方法具有工藝簡單、制備的晶體管器件性能穩定、操作方便、成本低廉的優勢，有利于容易實現器件的規模化工業生產；此外，碳納米管條紋陣列與鐵電薄膜之間的界面反應少、界面缺陷少、接觸性好，且鐵電薄膜具有高的介電常數和大的極化。與以氧化物做半導體溝道層的鐵電場效應晶體管相比，該鐵電場效應晶體管具有較小的開啟電壓和較寬的存儲窗口。此夕卜，本專利技術所述的鐵電場效應晶體管為底柵結構，其單元結構簡單，不需要緩沖層，對基底依賴性小，基底材料可以是硅、玻璃、藍寶石、聚對苯二甲酸乙二醇酯，這有利于降低生產成本、拓寬應用領域和實現器件的柔性化。【附圖說明】圖1為基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管的單元結構示意圖:1為底電極層，2為鐵電薄膜絕緣柵層，3為規整性碳納米管條紋陣列溝道層，4和5分別為源極和漏極；圖2為實施例1所得的規整性碳納米管條紋陣列形貌的金相顯微鏡圖；圖3為實施例1所得的鐵電場效應晶體管的輸出特性曲線；圖4為實施例1所得的鐵電場效應晶體管的轉移特性曲線；圖5為實施例1所得的鐵電本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管，其特征在于，該晶體管單元結構為：底層為底電極層(1)；中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)，規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5)；所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管。
【技術特征摘要】
1.一種基于規整性碳納米管條紋陣列的鐵電場效應晶體管，其特征在于，該晶體管單元結構為:底層為底電極層(I);中間層依次為鐵電薄膜絕緣柵層(2)和規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)，規整性碳納米管條紋陣列溝道層(3)上為頂層，頂層為晶體管源極(4)和漏極(5);所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管。2.根據權利要求1所述的鐵電場效應晶體管，其特征在于，碳納米管條紋的寬度為0.05-100 μ m，碳納米管條紋的厚度為50-500nm，碳納米管條紋的間距寬度為15-70 μ m。3.根據權利要求1所述的鐵電場效應晶體管，其特征在于，晶體管源極(4)和漏極(5)之間的距離為0.05-1000 μ m，垂直于源極(4)和漏極(5)之間距離的晶體管溝道寬度為50-5000 μ mD4.根據權利要求1所述的鐵電場效應晶體管，其特征在于，所述的底電極層材料為Pt、Au、Al、T1、Sn:1n2O3、LaNiO3、SrRuO3 中的任意一種。5.根據權利要求1所述的鐵電場效應晶體管，其特征在于，所述的鐵電薄膜材料為鈦酸鉛、鈦酸鋇、鉭酸鍶鉍、鈦酸鉍、鐵酸鉍中的任意一種，或為摻雜La、Nd、Sr、Zr、Mn、V、W、Mo元素中的一種或幾種的所述鐵電薄膜材料中的任意一種。6.根據權利要求1所述的鐵...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鐘向麗，劉盼盼，宋宏甲，王金斌，李波，周益春，
申請(專利權)人：湘潭大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43
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