半导体性碳纳米管薄膜的可控沉积及高性能晶体管阵列构建

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碳纳米管因其各方面优异的性能,已被应用到多个领域。例如单壁碳纳米管具有高的载流子迁移率、较长的平均自由程而被广泛用到集成电路中。但是单根碳纳米管因为定位困难,难以实现器件的大规模应用。而碳纳米管薄膜既具备了碳管原有的微观性能,又具备二维材料特征,因此展现出广阔的应用前景。本论文主要研究了高质量半导体性碳纳米管薄膜基于溶液的可控性沉积以及高性能薄膜晶体管阵列的制备,主要研究内容如下:通过溶液方法在Si/Si O2基底上沉积了高质量的半导体性单壁碳纳米管薄膜,系统研究了多聚赖氨酸(PLL)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)两种功能化分子处理基底后对薄膜沉积过程和薄膜形貌的影响。利用这两种薄膜制备了高性能薄膜晶体管阵列,批量测试了晶体管阵列的电学性能,分析了两种功能化分子修饰的基底沉积得到的薄膜对器件性能的影响。实验结果表明,经PLL修饰的基底能够沉积得到高度均匀的碳纳米管薄膜,所构建的晶体管阵列也具有更好的性能。对比研究了薄膜上层光刻胶去除前后晶体管的性能差异,结果表明薄膜沟道层上的光刻胶会影响晶体管的极性,去除光刻胶前的晶体管呈现双极性特征,去除后则转变为单极性p型特征,且其开态电流是去胶之前的3.52倍。利用不同纯度的半导体性碳纳米管溶液沉积了两组碳纳米管薄膜,研究了沉积时间和半导体性碳管纯度对薄膜沉积速率和形貌的影响,并通过紫外光刻技术制备了薄膜晶体管阵列。系统研究了不同密度和不同半导体性碳管纯度下所得晶体管阵列的性能参数。实验结果表明利用纯度为99.9%的半导体性碳纳米管溶液沉积50 min所得薄膜晶体管的性能最优,其电流开关比高达10~6,器件迁移率为26 cm~2 V-1 s-1。
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