碳纳米管薄膜场效应晶体管低温电学特性

张 静,李梦达,,朱慧平,王 磊,彭松昂,陆 芃,李晓静,王艳蓉,李 博,闫 江

(1. 北方工业大学 信息学院,北京 100144;2. 中国科学院 微电子研究所; 3. 中国科学院 抗辐照器件技术重点实验室: 北京 100029)

集成电路产业在追求低成本、高性能和高集成的过程中,不断缩小关键尺寸。然而,随着CMOS工艺技术中关键尺寸逐渐接近物理极限,人们对新材料与新结构探索的兴趣变得越来越浓厚。近年来,低维材料作为晶体管沟道材料的研究引起了广泛关注[1-3]。碳纳米管(carbon nanotube, CNT)具有超小的尺寸和优异的电性能[4-8],是最有望延续摩尔定律的候选材料之一。

目前,已有大量学者针对CNT材料制备[9]、CNT-金属接触[10-11]及网络状碳纳米管薄膜场效应晶体管(carbon nanotube thin film field effect transistor, CNT-TFT)栅结构和栅介质[12-13]等相关问题进行了大量研究。然而,环境温度变化对CNT-TFT性能影响的研究却鲜有报道,为实现CNT-TFT规模化和产业化的目标,CNT-TFT电学性能受温度影响机制的探索也必不可少。通过无掺杂工艺制造的CNT-TFT,可避免因温度过低杂质无法电离而引起的性能退化[14],因此,CNT-TFT在低温下的电学特性或许会出现意想不到的结果。虽然,单根CNT器件在低温下已展现出了优异的性能[14],但由于CNT-TFT与单根CNT器件存在结构上的差异,因此,需对低温下CNT-TFT的特性进行研究。此外,与CNT-TFT器件相比,单根CNT器件沟道内不包含CNT-CNT结,结处电阻随温度变化对器件的影响也未被包含在内。同时,CNT薄膜的电阻受CNT结的显著影响,与温度成正相关[14-16],这与单根CNT所展示的温度特性截然相反。因此,研究环境温度变化对CNT-TFT电学特性的影响机制对CNT-TFT的工作温度从室温向低温的拓展是必要的,也有益于CNT-TFT在深空探测及极地探索等极端低温环境下的应用。

本文采用CNT网络薄膜制备了CNT-TFT,基于该器件研究了温度为100～300 K的器件电学特性。结果表明,由于CNT-CNT结和CNT-金属结处的输运效率会受温度的显著影响,导致CNT-TFT的跨导Gm随温度下降而降低。此外,界面俘获中心的俘获概率也将随温度的降低而下降,导致阈值电压Vth和亚阈值摆幅SS与温度成正相关。开态电流Ion的变化则是Vth和Gm共同影响的结果。

1 CNT-TFT结构与测试表征

1.1 CNT薄膜与CNT-TFT

本文所采用的CNT-TFT是宽长比W∶L=20 μm∶20 μm的顶栅器件,图1为CNT-TFT的结构。图1中,CNT晶圆购自北京华碳元芯电子科技有限公司。由图1可见,CNT薄膜具有较高的致密性和均一性。

图1 CNT-TFT的结构Fig.1 Structure of CNT-TFT

1.2 CNT-TFT室温电学特性

CNT-TFT的基本电学特性采用Keysight B1500A半导体参数分析仪进行表征,测试包括转移特性曲线和输出特性曲线。图 2为CNT-TFT的电学特性曲线。由图2可见,漏端电流ID随着栅极电压VG的减小而增大,表明器件呈P型特性,这与Pd接触的CNT-TFT器件特性一致。同时,较高的开关比(>105)及较小的亚阈值摆幅(～65.6 mV)表明,CNT-TFT的栅极对源极/漏极电流具有良好的调节作用。

(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低温电学特性测试

CNT-TFT低温电学特性表征采用低温真空探针台和Keysight B1500A半导体参数分析仪联合测试平台进行测试。CNT-TFT样品放置在真空探针台测试腔内,为避免气氛环境变化对器件性能的影响,待腔体内真空度稳定在1×10-6mbar(1 bar=1×105Pa), 0.5 h后再进行变温电学特性测试。先对器件进行室温(300 K)电学特性测试,再通过液氦对探针台进行降温,当温度分别稳定在250,200,150,100 K时,再对器件电学特性进行测试,最终获得了不同温度时,CNT-TFT的转移特性曲线,如图3所示。其中,转移特性曲线测量时的源漏电压为-0.5 V,栅极电压扫描范围为-1～0.5 V。由图3可见,转移特性曲线随温度降低而向左漂移,同时开态电流减小。

图3 温度为100～300 K时,CNT-TFT的转移特性曲线Fig.3 Transfer characteristic curve of CNT-TFT at temperature ranging from 100 k to 300 K

2 CNT-TFT低温电学特性分析

为探讨器件电学性能的变化,本文根据温度为100～300 K时的CNT-TFT转移特性曲线,提取了开态电流(Ion,VDS=-0.5 V,VG=-1 V)、跨导Gm、阈值电压Vth和亚阈值摆幅SS随温度T的变化关系,如图4所示。

(a) Ion vs. T

(b) Gm vs. T

(c) Vth vs. T

(d) SS vs. T

由图4(a)可见,Ion随温度的降低而减小。本文使用的器件是图1(a)中的氧化钇栅介质的顶栅 CNT-TFT,该器件是一种无掺杂器件,器件的开启和关断依赖于源漏金属与CNT的接触势垒。在金属-半导体接触模型中通常将电流的组成分为越过势垒的热电子发射(TE)、费米能级附近的场发射(FE)及TE和FE之间能量的热场发射(TFE)3类[18]。已有文献表明CNT-金属结的发射是由热发射所主导[19],热发射电流的形成与温度呈强相关性,因此,CNT-TFT的Ion随温度的降低基本呈线性下降关系。

由图4(b)可见,Gm随温度的降低而降低,同时,随着温度的降低,Gm下降的速度也在减缓。根据空间分布,温度降低对Gm的影响成分可以分为CNT、CNT-金属接触区域及CNT与CNT相交处的结3部分。在CNT中迁移时,载流子受声子散射随温度降低而减弱[14-15],迁移率减小,进一步使Gm降低;而CNT-金属接触区域的载流子输运以TE为主,温度降低会使载流子的能量减小,降低热发射效率,进一步使整体Gm降低[16];在流经沟道中CNT与CNT结处时,载流子以热辅助隧穿的形式通过[19],结处电流同样也与温度成正相关,因此,温度降低时,CNT结阻碍的增大同样也会大幅降低Gm。此外,不同结构的碳纳米管场效应晶体管,Gm的影响因素也不同。本文所采用的器件沟道中存在大量的CNT结,温度降低时,结处对Gm的影响成为主要因素。因此,可观察到Gm随温度降低而显著下降。

考虑到Vth也是Ion的主要影响因素,本文对Vth的变化进行了分析。为保证一致性,应用相同的方法来提取不同温度下的Vth。由图4(c)可见,随着温度的升高,Vth出现了单调的左移,同时,Vth随温度变化关系曲线的斜率变化也较为缓慢,表明Vth与温度的强相关性。而Vth的变化主要来源于氧化层与界面附近电荷分布的改变。CNT-TFT中常见的电荷存在的形式包括氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷及界面陷阱电荷。氧化层固定电荷是一种在CNT/介质层表面附近的电荷,主要受氧化过程中氧化气氛、冷却状态及材料的晶向所决定,低温冷却并不会造成显著影响;氧化层陷阱电荷是被限制在氧化层中的空穴或电子,通常是由电离辐射、氧化层击穿及隧穿效应等因素而引入,可在高温下退火去除[20],低温环境很难产生影响;界面陷阱是一种CNT界面附近,由俘获和释放隧穿而来的载流子造成的缺陷或杂质,当温度降低时,界面陷阱俘获和释放载流子的概率会降低,使CNT内部电荷分布改变,进一步影响Vth。图4(c)中Vth向左漂移,表明温度降低后,界面俘获电荷的净剩正电荷在增加。

此外,亚阈值摆幅SS的变化也与界面态息息相关,由有源区隧穿而来的载流子俘获和释放的俘获中心数目所决定。俘获中心的来源是CNT界面处的缺陷和杂质原子,通常缺陷和杂质原子的数量并不受温度的影响,但随着温度的降低,俘获中心俘获载流子的概率将大大降低,即参与载流子捕获和释放的俘获中心数目减少,因此,观察到SS随温度降低成下降的趋势,如图4(d)所示。

3 结论

本文基于CNT网络薄膜制备了CNT-TFT,并测量了该器件在低温下的电学特性。由于 CNT-TFT中CNT-金属结和CNT-CNT结处的载流子的输运效率均与温度呈正相关,观察到Gm随温度的降低而显著下降,进一步导致Ion减小。此外,温度降低后还观察到Vth的负向漂移,这是由于界面俘获中心的俘获概率随温度下降,导致界面俘获电荷减少引起的。SS随温度的降低可证明界面陷阱俘获概率随温度的降低而下降。