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研究生： 許益豪
Yi-Hao Hsu
論文名稱： 化學氣相沈積合成單壁奈米碳管臨場製作非對稱閘極奈米碳管電晶體及其特性之研究
Investigation of CNT-FETs with in situ CVD grown SWNTs and asymmetric gate structure
指導教授： 柳克強
Keh-Chyang Leou
蔡春鴻
Chuen-Horng Tsai
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2007
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 125
中文關鍵詞： 單壁奈米碳管 、催化熱裂解化學氣相沈積法 、場效電晶體 、非對稱結構 、雙極性
外文關鍵詞： SWNT, Thermal CVD, FET, asymmetric structure, Ambipolar
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    • 由於奈米碳管具有優異的電性，所以奈米碳管電晶體具有相當大的潛力應用於未來的奈米電子元件。本研究使用雙層的催化劑結構，以高溫化學氣相沈積(Thermal Chemical Vapor Depositon, Thermal CVD)的方式成長平貼於基板上的高品質單壁奈米碳管(Single-Walled Carbon Nanotube, SWNT)，並臨場(in-situ)製作成奈米碳管場效應電晶體(CNT field-effect transistors, CNT-FETs)，與奈米碳管溶液之旋塗法所製作的成奈米碳管電晶體相比較，能有效的定位奈米碳管，並能由奈米碳管製程參數控制奈米碳管的密度、長度以及直徑，而且不需高溫退火來改善奈米碳管與電極金屬之間的接觸阻抗。
    本研究解決了奈米碳管的高溫製程所造成的背閘極漏電問題，使用高溫氧化生成1 μm厚度的SiO2做為背閘極介電層，便能以850℃的製程溫度成長密度及長度皆能符合電晶體需求的奈米碳管，且電晶體能維持在約八成的良率，欲使奈米碳管電晶體有較佳的特性，例如較小的次臨界斜率(Subthreshold swing)，僅需在催化劑周圍以BOE蝕刻出一塊SiO2較薄的區域，讓奈米碳管往該處成長，並將此處的奈米碳管壓上SD電極，便能使此奈米碳管電晶體有較薄的介電層以及較好的電晶體特性。
    具有相近性能的P-type和N-type奈米碳管電晶體是構成反向器的重要條件，而使用高金屬功函數的電極材料，即可製作出高性能的P-type奈米碳管電晶體，但使用低金屬功函數所製作出的N-type奈米碳管電晶體則特性明顯較差，以元素摻雜奈米碳管增加電子濃度的方式可製作出高性能的N-type奈米碳管電晶體，但製程上不易控制，文獻中模擬出非對稱閘極結構的奈米碳管電晶體，具有將雙極性(Ambipolar)的奈米碳管電晶體轉變成單極性(Unipolar)的效果，轉變成的P-type和N-type奈米碳管電晶體可能具有相近的性能，在製程上也較為簡單。
    文獻中奈米碳管電晶體的非對稱結構有數種不同形式，但實作的結果皆無法成功轉換成N-type特性，本研究以BOE蝕刻介電層，製作出兩端介電層厚度不同的非對稱背閘極奈米碳管電晶體，之前先分別以介電層厚度同為300 nm 以及1 μm的對稱型背閘極奈米碳管電晶體研究其特性的差異，並尋找使奈米碳管電晶體出現雙極性(Ambipolar)的各項條件，套用於非對稱背閘極奈米碳管電晶體上，研究其轉換的效果。

    摘要 i 致謝 iii 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xiii 第一章 緒論 1 1.1 奈米碳管在電子元件上的應用 1 1.2 奈米碳管與金屬接觸面之蕭基能障 5 1.3 奈米碳管電晶體的傳輸特性 6 1.4 研究動機 8 第二章 文獻回顧 10 2.1 雙極性傳輸特性的成因 10 2.2 雙極性轉換成單極性 12 2.3 奈米碳管電晶體於反向器的應用 23 第三章 研究方法與實驗設備 26 3.1 研究方法 26 3.2 奈米碳管的成長 26 3.2.1 雙層催化劑結構 27 3.2.2 成長機制 30 3.2.3 單壁奈米碳管的特性分析 32 3.3 量測用基板製程步驟 37 3.4 奈米碳管電晶體製程步驟 40 3.5 實驗設備介紹 49 第四章 結果與討論 60 4.1 金屬電極材料對奈米碳管電晶體特性之影響 60 4.2 奈米碳管對奈米碳管電晶體特性之影響 69 4.3 介電層厚度對奈米碳管電晶體特性之影響 79 4.4 製程溫度對奈米碳管電晶體特性之影響 89 4.5 非對稱結構奈米碳管電晶體 91 4.6 真空量測 99 4.6.1 氧分子吸附的影響 99 4.6.2 水氣分子吸附的影響 103 4.6.3 非對稱奈米碳管電晶體的真空量測 107 4.7 奈米碳管電晶體良率的提高 113 第五章 結論與展望 117 5.1 結論 117 5.1.1 化學氣相沈積法合成奈米碳管臨場製作奈米碳管電晶體的優點 117 5.1.2 解決高溫製程導致的漏電問題 117 5.1.3 介電層厚度對奈米碳管電晶體特性之影響 118 5.1.4 高性能的奈米碳管電晶體 118 5.1.5 使奈米碳管電晶體出現雙極性的條件 118 5.1.6 非對稱結構無轉換效果的原因 119 5.1.6 奈米碳管電晶體的真空量測 119 5.2 後續研究建議 120 5.2.1 奈米碳管製程的改良 120 5.2.2 尋找合適的電極材料 120 5.2.3 使用上閘極的非對稱結構 121 參考文獻 122

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