碳纳米管场效应晶体管:现状和未来

硅基互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)场效应晶体管工艺已经发展到了14 nm技术节点,预计将很快到达其极限,需要寻找新的信息器件来延续摩尔定律.由于具备超小尺寸、高迁移率等显著优点,碳纳米管被认为是后摩尔时代最有潜力替代硅作为晶体管沟道的纳米材料之一.经过近20年的研究,基于碳纳米管场效应晶体管的技术已经取得了巨大的进步.本文将回顾碳纳米管场效应晶体管领域的关键性技术,包括N型欧姆接触实现、"无掺杂"CMOS技术、自对准顶栅结构以及尺寸缩减技术等.而且我们将分析碳纳米管晶体管在大规模材料制备以及碳管和电极接触方面存在的问题,并提出可能的解决方案.在此基础上,通过分析实验数据和模拟结果,对碳纳米管电子学的未来发展做出预测和展望,结果表明碳纳米管晶体管的潜力巨大,通过对材料和器件结构进行合理优化,碳纳米管晶体管在性能上可能远远超过硅基半导体对应技术节点的晶体管,成为后摩尔时代极其具有竞争力的信息器件.     

Co-MOF@CNTs的制备及其电催化氧还原性能的研究

开发用于氧还原反应的高效非贵金属电催化剂是可再生能源技术的核心,但也是一个巨大的挑战.该实验组采用水热法制备了含有钴元素的金属有机框架(Co-MOF)结构,并与碳纳米管(CNTs)复合,制备了Co-MOF@CNTs复合材料,用于催化氧还原反应(ORR).探究了导电材料碳纳米管的负载量对催化剂在0.1 M KOH电解液中催化ORR性能的影响.研究表明,CNTs的加入对Co-MOF材料在碱性电解液中的ORR性能有明显的促进作用,并且和CNTs的负载量有关. CNTs的载量为15 wt%时,Co-MOF@CNTs表现出最佳的ORR活性,ORR起始电位为0.89 V,半波电位为0.78 V,电子转移数为3.7,接近4电子转移过程.半波电位和电子转移数均略低于商业Pt/C催化剂,表现出了良好的ORR催化活性. MOF中的中心钴离子作为金属源起着至关重要的作用,以产生钴金属核,为氧还原反应(ORR)提供活性中心.多壁碳纳米管(MWCNT)可以增强电子的输运,可以作为催化剂材料的导电基底. MOF和CNTs的掺杂为制备其他更加低廉、高效、稳定的非贵金属催化剂提供了设计思路.     

p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管的制备及Ⅳ特性研究

采用磁控溅射掩膜制备工艺,在n型Si衬底上分别制备了底栅型p沟道Cu_2O半导体薄膜场效应晶体管(TFTs).用XRD、SEM、XPS等检测分析方法对不同条件下制备的Cu_2O薄膜的晶体结构、表面形貌、化学成分进行了表征.对O_2通量、退火温度及沟道宽度等因素对半导体薄膜及器件特性的影响进行了对比研究.研究发现,O_2通量是制备Cu_2O半导体薄膜的关键因素,器件I_(DS)电流的绝对值随着栅压的绝对值的增大而增大,具有典型的p沟道增强型场效应晶体管特征.其Ⅳ特性与溅射沉积时间、沟道宽度、退火因素等有关,真空退火处理后有助于提高器件的I_(DS)的绝对值.测试表明,制备的沟道宽度为50μm的典型器件的电导率、电流开关比和阈值电压分别为0.63S/cm,1.5×10~2及-0.6V.     

结合晶体管版图效应分析的模拟集成电路设计

为了实现模拟集成电路版图设计的自动化,提出一种称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管阵列的版图布局方法。90 nm/1. 2 V互补式MOS的测试元件组(TEG)芯片被开发用以实验采样,芯片搭载多种导电沟道分割形式的多指栅晶体管,晶体管在电路的版图设计中以不同的布局形态呈现。这些晶体管的电气参数被测试并抽取,用以分析和评价其直流性能。以二级模拟运算放大器为实验电路,分别采用晶体管阵列和全定制方式进行版图设计,从工艺波动性和版图面积两方面进行对比。成品实测结果表明:以晶体管阵列方式实现共源共栅运放电路时,10枚TEG芯片的平均失调电压为4. 48 m V,对比手工版图的5. 59 m V,抗波动性能约提升了20%,显示了晶体管阵列版图设计方法的有效性。     

GaN基场效应器件Monte Carlo模拟

基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温、高功率微波器件方面有极其重要的应用前景.文章用自洽-耦合蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管作了模拟,给出了器件直流特性的Monte Carlo模拟结果,包括器件的粒子分布及器件的等势线分布,最后给出器件在不同栅电压下的直流输出特性.文章的模拟结果对研究GaN基场效应器件有指导意义.     

有限元法分析栅极对CNTs场发射性能的影响

建立了栅极冷阴极结构和二极管结构的碳纳米管(CNTs)场发射阴极,利用有限元素法对发射体的场发射性能进行了模拟,进一步计算并分析了栅极、栅极电压以及栅孔半径等参数对碳纳米管尖端电场分布和场发射性能的影响.结果表明,栅极对碳管尖端的激发电场具有很强的增强作用;栅极电压越高,场增强因子越大;最佳场发射栅孔半径为碳纳米管半径的10倍;栅极使得碳纳米管的开启电压降低,发射电流密度增加.     

基于CMOS准浮栅技术的超低压模拟集成电路

基于多输入浮栅MOS晶体管的分析,系统研究准浮栅MOS晶体管的工作原理、电气特性及等效电路,计总结其用于超低电压模拟电路设计的优势。基于CMOS准浮栅技术,提出了0．8V两级运算放大器和1V 2．4 GHz Gilbert混频器电路,并采用TSMC 0．25 μm 2P5MC MOS工艺的Bsim3V3模型完成了特性仿真,仿真结果显示了准浮栅技术用于超低电压模拟电路设计的优势。     

0.5μm栅长HfO_2栅介质的GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管

为了抑制GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极漏电,提出了一种0.5μm栅长的GaN金属氧化物半导体(MOS)高电子迁移率晶体管结构。该结构采用势垒层部分挖槽,并用高介电常数绝缘栅介质的金属氧化物半导体栅结构替代传统GaN HEMT中的肖特基栅。基于此结构制备出一种GaN MOSHEMT器件,势垒层总厚度为20nm,挖槽深度为15nm,栅介质采用高介电常数的HfO_2,器件栅长为0.5μm。对器件电流电压特性和射频特性的测试结果表明:所制备的GaN MOSHEMT器件最大电流线密度达到0.9 A/mm,开态源漏击穿电压达到75 V;与GaN HEMT器件相比,其栅极电流被大大压制,正向栅压摆幅可提高10倍以上,并达到与同栅长GaN HEMT相当的射频特性。     

IGBT Pspice静态模型的建立与仿真

目的 研究一种新型的功率器件--绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的静态模型.方法 分析并建立IGBT的Pspice静态模型,分析模型的结构和参数的配置并对模型进行了仿真,将仿真出的转移特性和输出特性与实际器件进行了比较.结果 /结论所建立的功率器件IGBT的静态模型是正确的,在对其器件或系统的仿真中具有较高的使用价值.     

高功率太赫兹基波压控振荡器设计

基于55 nm CMOS工艺提出了一款具有高输出功率的太赫兹基波压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO).设计采用堆叠结构来克服单个晶体管供电电压受限导致输出摆幅较低的问题来有效提高了输出功率.依据单边化技术在核心晶体管的栅漏之间嵌入自馈线来调整栅漏之间的相移和增益以最大化晶体管在期望频率下的可用增益,从而提高晶体管的功率输出潜力.提取版图寄生后的仿真结果表明:在2.4 V供电电压下,VCO的输出频率范围为200.5 GHz～204.4 GHz,电路峰值输出功率为3.25 dBm,在1 MHz的频偏处最优相位噪声为-98.7 dBc/Hz,最大效率为8.1％.包括焊盘在内的版图面积仅为0.18 mm2.此次工作实现了高输出功率并具有紧凑的面积,为高功率太赫兹频率基波VCO设计提供了一种设计思路.     

应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点

为拓展碳纳米管的实际应用 ,对碳纳米管应用于超级电容器的电极材料的特点作了深入分析。碳纳米管电极具有独特的孔隙结构和高比表面积利用率 ;碳纳米管表面可以形成丰富的官能团 ,具有较好的吸附特性。此外 ,作者提出了采用酸处理或球磨工艺打断碳纳米管、提高其内腔利用率的方法。可以预料 ,碳纳米管在这一领域将得到广泛应用     

二维、三维模型碳纳米管场发射场强计算的比较研究

在计算碳纳米管场发射显示器中电场强度时,为了提高计算效率,许多资料将三维空间的场发射简化为二维模型进行计算,为了比较分析使用二维模型和三维模型计算结果的差异,建立了二维模型单根碳纳米管、三维模型单根碳纳米管和单碳纳米墙3个模型,应用Ansoft Maxwell有限元数值仿真软件进行了仿真,计算结果表明:二维碳纳米管场发射模型的仿真结果代表的三维空间实际情况为碳纳米墙场发射,而不是真正的三维空间碳纳米管场发射。对于单根碳纳米管,用二维模型计算的碳纳米管尖端电场强度仅为三维空间碳纳米管尖端电场强度的1／4。     

基于改性碳纳米材料的SF6放电分解气敏特性研究

为了解决本征碳纳米管在SF₆气体传感检测方面存在局限性的问题,研究了基于空气等离子体改性的本征碳纳米管气体传感器对SF₆分解气体中重要特征组分的气敏特性。利用空气等离子体对本征碳纳米管进行改性,引入空气等离子体预处理碳纳米管表面,研究改性碳纳米管在检测SF₆气体分解组分时的气体传感响应特性。结果表明：与本征碳纳米管相比,经空气等离子体改性的碳纳米管气体传感器对H₂S气体的电阻变化具有较高的灵敏度,响应时间短,并具有良好的重复性和稳定性;经空气等离子体改性的碳纳米管对SO₂气体电阻变化率的敏感性明显降低;不同掺杂比例的碳纳米管气体传感器对SOF₂和SO₂F₂的敏感性不同。因此,基于空气等离子体改性的本征碳纳米管气体传感器能准确反映SF₆气体的放电分解情况,可为准确检测SF₆气体的分解成分提供依据。     

中国碳纳米管领域研发能力评估

碳纳米管是国际材料科学的前沿领域之一,研究成果不断涌现,这些研究成果主要以研究论文和专利的形式出现。随着近年来中国科研实力的提升,中国科学家在碳纳米管研究领域也取得了相当突出的成绩,影响力越来越大。利用Web of Science和Derwent Aureka对2000—2009年碳纳米管相关的论文及专利进行检索分析,对我国碳纳米管领域的研发能力进行了评估。     

电弧法获得的几种奇异碳纳米管的研究

用电弧法制备碳纳管时,在阴极沉积物中,伴随大量正常的离散碳纳米管的产生,发现了孪生碳纳米管、菱形碳纳米管、“Y”形短管和碳纳米纤维等几种奇异的碳纳米形态。给出了这些奇异碳纳米管的透射电镜（TEM）照片,对它们的生长、闭合过程进行了研究,认为碳原子流、电场等因素的影响是奇异碳纳米管形成的关键,借助碳纳米管以内层为模板的开口生长模型,可以定性地理解它们的形成过程及生长机理。     

碳纳米管负载Ni催化剂制备碳纳米管的研究

将硝酸回流预处理过的碳纳米管载体直接浸入镀Ni溶液中,通过化学镀在其表面上沉积出Ni纳米颗粒,并将所制备的Ni/CNTs催化剂用于制备新的高纯度碳纳米管.实验结果表明,碳纳米管载体的酸预处理时间对Ni/CNTs催化剂在碳纳米管制备过程中的催化性能有很大的影响,从而影响所制备的碳纳米管的形态.当碳纳米管载体在稀硝酸中回流预处理0.5 h后,所对应的Ni/CNTs催化剂催化制备的碳纳米管存在严重的缺陷,其主要结构为竹节状和鱼骨型,同时部分碳纳米管在生长过程中分叉,成Y形结构;当碳纳米管载体经稀硝酸回流预处理6 h后,其对应的Ni/CNTs催化剂催化生长的碳纳米管粉体中,碳纳米管的形态均匀,中空,无任何隔膜,因此碳纳米管载体较长时间的酸回流预处理对催化剂的性能有明显的改善.而且相比纯的纳米Ni,Co以及Ni/SiQ2催化剂,Ni/CNTs催化剂在碳纳米管的制备过程中,具有更高的催化活性.     

场发射显示器环境下不同置向碳纳米管的尖端电场强度计算

针对碳纳米管场发射显示器的实际工作环境,计算给出了碳纳米管在垂直、与垂直碳纳米管等长倾斜45°和与垂直碳纳米管等高倾斜45°放置3种情况下的空间电势分布和电场分布,数值计算表明在上述3种情况下的碳纳米管尖端表面附近的电场强度比值约为13:10:12。进一步分析说明在垂直和倾斜碳纳米管同时存在的情况下,要提高电子发射的均匀性,就必须提高倾斜碳纳米管的高度。     

Dielectrophoretic assembly of carbon nanotubes and stability analysis

Nanoscale dimensions and remarkable properties of carbon nanotubes make them promising building blocks for nanoelectronics.One requirement is the need to manipulate single or multiple carbon nanotubes to bridge electronic conductors.In this paper,multi-walled carbon nanotubes with a variety of sizes are assembled onto electrodes using alternative current electric felds by dielectrophoresis.The effect of the dielectrophoretic parameters and the nanotube size as well as the length uniformity on the assembly is experimentally investigated.Current–voltage characteristics of assembled carbon nanotubes are measured.The experimental results showed that both the dielectrophoretic parameters and length uniformity of carbon nanotubes have an infuence on the stability of assembly results.Choosing uniform carbon nanotubes with an appropriate length and suffcient stiffness,which are more controllable by dielectrophoresis,is necessary for an assembly of a small number of carbon nanotubes.     

碳纳米管阴极场致发射的电场数值模拟

利用Visual FORTRAN语言，对碳纳米管阴极的外电势分布和电场强度分布进行了数值模拟．采用非等间距的网格划分对碳纳米管尖端附近进行细致的划分处理，并利用等参有限元方法进行了模拟计算．分析了碳纳米管尖端局部电场强度的增强效应和相邻碳纳米管之间的电场屏蔽现象．讨论了碳纳米管电场强度随管间距变化的关系以及碳纳米管尖端电场强度随半径变化的关系。     

碳纳米管柔性应变传感器在智能纺织品中的应用

智能纺织品不仅拥有日常穿着的所需功能,而且兼具智能性,柔性纺织材料的选择是当前纺织材料研究的重点。在柔性材料中,碳材料是制备柔性应变传感器的理想材料之一。以碳纳米管为柔性材料制备的柔性应变传感器在智能纺织品中的应用为研究内容,从碳纳米管的结构组成、性质及其应用等方面,介绍碳纳米管柔性应变传感器的研究现状;从材料选择、制备方法、性能测试及应用等方面,阐述以碳纳米管纤维和碳纳米管薄膜为柔性材料制备的柔性应变传感器的特性和功能;从制备难点、生产成本、实际应用效果等方面,对碳纳米管柔性应变传感器的优缺点进行评述。研究认为,在大应变下具有高灵敏度将是今后碳纳米管柔性应变传感器研究的方向。