luận văn thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (fet) sử dụng ống nano carbon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PTN CƠNG NGHỆ NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG HẢI LIÊN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON LỜI MỞ ĐẦU Sau thời gian nghiên cứu phát triển ngành chế tạo vi mạch tích hợp, năm 1965 tiến sĩ Gordon E.Moore công bố báo “Cramming more components onto integrated circuits” (tạp chí Electronics 19/4/1965) Trong báo TS Moore đưa dự đoán phát triển ngành chế tạo vi mạch có dự đoán tiếng năm gần đây: “Khi mật độ transistor, phần tử chip mạch tổ hợp, tăng lên giá thành mạch giảm xuống Cứ sau 18 tháng mật độ lại tăng lên gấp đơi giá thành mạch giảm khoảng nửa” [17] Những transistor theo xu hướng chủ yếu chế tạo dựa công nghệ bán dẫn silicon Nhưng thời gian gần kích thước transistor chế tạo dựa cơng nghệ bán dẫn silicon gần đạt tới mức nhỏ nhất, tiếp cận hạn chế vật lí linh kiện chế tạo dựa vật liệu silicon Do nhiều nghiên cứu tiến hành nhằm đưa giải pháp hiệu việc tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor, giải pháp chế tạo transistor dựa vật liệu mới, có tính chất ưu việt silicon việc thu nhỏ kích thước linh kiện Với cấu trúc đặc biệt tính chất điện, ưu việt, ống nano carbon đánh giá vật liệu tiềm kỷ 21 Từ lúc phát vào năm 1991 đến nay, ống nano carbon (carbone nanotubes- CNTs) trọng nghiên cứu đưa vào ứng dụng cách mạnh mẽ nhiều ngành khoa học, việc nghiên cứu, chế tạo transisitor dựa CNTs nhận nhiều quan tâm nhà khoa học Phương pháp chế tạo transistor sử dụng ống nano carbon đánh giá công nghệ hứa hẹn, thay silicon linh kiện vi mạch chạm đến mức giới hạn kích thước vật lý 10-15 năm tới Để tiếp nối nghiên cứu bước đầu tìm hiểu cách có hệ thống cơng nghệ chế tạo, ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo đến thông số đặc trưng transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon, mục tiêu luận văn Thạc sỹ là: “Thiết kế, chế tạo kiểm tra đặc tính điện transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” Đề tài thực hiện, sử dụng thiết bị chế tạo đo đạc Phịng Thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM Nội dung nghiên cứu trình bày phần sau:  Chương – Tổng quan - Giới thiệu tổng quan cấu trúc, tính chất đặc trưng, ứng dụng thực tế ống nano carbon - Giới thiệu sơ lược transistor hiệu ứng trường (MOSFET) - Giới thiệu transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET)  Chương – Thiết bị phương pháp nghiên cứu - Giới thiệu vật liệu thiết bị sử dụng trình chế tạo khảo sát CNTFET - Trình bày phương pháp nghiên cứu chế tạo CNTFET  Chương – Chế tạo CNTFET - Trình bày chi tiết bước chế tạo CNTFET  Chương – Đo đạc - Khảo sát, đánh giá qui trình chế tạo CNTFET - Kiểm tra đặc tính điện sản phẩm CNTFET tạo thành  Kết luận - Đánh giá kết đạt - Hướng phát triển đề tài Chương TỔNG QUAN 1.1 Ống nano carbon 1.1.1 Tổng quan ống nano carbon Carbon nguyên tố quan trọng tự nhiên Carbon liên kết với nguyên tố khác ba kiểu lai hóa orbital Điều tạo nên đa dạng cấu trúc carbon nhiều tính chất đặc biệt, khiến carbon trở thành nguyên tố hóa học hữu sống Từ cấu trúc biết đến từ nhiều kỷ trước than chì (graphite) kim cương (diamond) đến cấu trúc nano khám phá gần Fullerene C60, ống nano carbon (carbon nanotubes), sợi nano carbon mang đến nhiều ứng dụng công nghiệp thương mại Cho đến ngày nay, có cấu trúc phi tinh thể (vơ định hình) bốn nhóm cấu trúc tinh thể carbon phát Hình 1.1: Một số cấu trúc carbon (a) Kim cương; (b) Than chì; (c) Lonsdaleite; (d)(f) Cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70); (g) Vô định hình; (h) Ống nano carbon Vào năm 1985, Smalley cộng khám phá cấu trúc carbon bên cạnh cấu trúc biết trước Đó Buckminster fullerene C60, gọi tắt Fullerene, có cấu trúc khối cầu gồm 60 nguyên tử carbon liên kết thành vòng lục giác ngũ giác Trước năm 1991, có nhiều khám phá loại cấu trúc có chiều dài lớn (cỡ nhiều micro) đường kính bé (chỉ vài nano) Lúc đầu, xem cấu trúc chiều fullerene Vào năm 1991, cấu trúc tính chất đặc trưng loại vật liệu Sumio Ijima công bố lần [19] Khi nghiên cứu tổng hợp fullerene phương pháp hồ quang điện với xúc tác kim loại, Ijima tìm thấy nhiều cấu trúc graphite bám tâm điện cực bao gồm hạt nano ống đặc biệt có đường kích ngồi từ – 30nm chiều dài cỡ 1µm Bởi ống có cấu trúc gồm nhiều lớp vỏ carbon graphite, cuộn lại theo hình xoắn ốc, đường kính ngồi kích thước nano nên Ijima gọi ống ống nano đa vách (Multi-wall nanotubes, MWNTs) Hình 1.2: Ảnh điện tử ống micro nhiều vách graphite [5] (a) ống tấm, đường kính 6,7 nm; (b) ống vách, đường kính 5,5 nm; (c) ống tấm, đường kính 6,5 nm, đường kính bên nhỏ 2,2 nm Đến năm 1993, ống nano đơn vách (single-wall nanotubes, SWNTs) tìm Đây ống graphite cuộn trịn lại, có đường kính từ 0,4 đến nm, chiều dài chừng vài µm Hình 1.3: Ảnh TEM ống nano đơn vách (SWCNTs) 1.1.2 Cấu trúc ống nano carbon Về chất, ống nano carbon hay nhiều graphite cuộn tròn lại thành dạng ống nano, có đường kính từ nm (đối với ống đơn vách) đến 30 nm (với ống có nhiều vách), chiều dài khoảng từ µm trở lên, khoảng cách vách graphite từ 0,34 – 0,36 nm Cấu trúc ống nano xác định vector chiral Ch góc chiral θ Vector chiral cho cơng thức sau: Ch=na1+ma2 Trong đó, số ngun n m tham số vector chiral, diễn tả số bước dọc theo liên kết chữ chi (zig-zag) carbon mặt lục giác, a1và a2 vector đơn vị (hình 1.4) Cấu trúc ống hình thành cách cuộn graphite dọc theo vector Ch, cịn góc chiral θ xác định độ xoắn ống Hình 1.4: Các giá trị khác vector chiral góc chiral graphite Tùy thuộc vào góc chiral θ mà dạng khác CNTs xác định: - Nếu θ = 0o (n = m = 0), ống “zig - zag” - Nếu θ = 30o (n = m), ống “armchair” - Nếu θ = 0o – 30o (n ≠ m), ống “chiral” Đường kính d ống nano cho cơng thức: d=Lπ đó:  L chiều dài vector chiral: L=Ch=an2+m2+nm  a = 2,49Å, chiều dài cạnh graphite Hình 1.5: Ống nano carbon (a) zig – zag; (b) chiral; (c) armchair Ngoài ra, tham số chiral cho biết tính chất điện tử ống nano carbon Các ống nano carbon kim loại, bán dẫn phụ thuộc vào hai tham số m n Một ống nano kim loại tỷ số (m-m)/3 số nguyên, lại tất chất bán dẫn Hình 1.6: Tính chất dẫn điện ống nano carbon theo vector chiral 1.1.3 Các tính chất ống nano carbon  Tính chất điện tử Các đặc tính điện học ống nano carbon ý nhiều nghiên cứu ứng dụng ống nano carbon Với kích thước nhỏ tính đối xứng cao khiến CNTs có hiệu ứng lượng tử đặc biệt đặc tính điện tử, từ học quang học khác thường Các tính tốn lý thuyết ban đầu thực nghiệm sau cho thấy nhiều tính chất điện tử lạ thường CNTs, ví dụ cấu trúc lượng tử hai loại ống nano carbon, tính chất kim loại bán dẫn ống nano đơn vách Ống nano carbon có tính chất kim loại chất bán dẫn phụ thuộc vào vector chiral đường kính ống nano không phụ thuộc vào chiều dài ống Trong ống nano carbon đơn vách, hệ số (m – n) chia hết cho kim loại (chiếm khoảng 1/3), có độ rộng vùng cấm 0eV; lại chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm ~ 0,5 eV Đối với ống nano carbon đa vách phức tạp nhiều ống bên có tính chất điện tử độ dẫn điện khác Nhưng theo nhiều kết nghiên cứu thực nghiệm ống nano carbon đa vách có độ dẫn điện cao với hiệu điện thấp Do đó, ống nano carbon đa vách xem vật liệu kim loại điển hình Hầu hết kết thực nghiệm cho thấy, ống nano carbon có độ dẫn điện cao, SWCNT có độ dẫn điện cao polymer dẫn, với suất điện trở 10-4 Ω.cm [4] Còn mật độ điện tử ống nano carbon kim loại cao gấp 1.000 lần so với kim loại thơng thường, đó, mật độ dịng điện tối đa khoảng 1013 A/m2  Tính chất quang quang điện Các ống nano carbon đơn vách với cấu trúc vùng lượng phù hợp cho nhiều ứng dụng quang học quang điện Phổ quang học SWCNTs có vùng phổ từ tử ngoại đến gần hồng ngoại Do có đặc tính phát xạ quang điện quang dẫn nên ứng dụng phương pháp nghiên cứu cấu trúc tính chất SWCNTs [4][5] Mặc khác, tính chất điện tử quang học ống nano carbon liên quan chặt chẽ đến ảnh hưởng học, hóa học, nhiệt từ trường  Tính chất học Từ khám phá, ống nano carbon thu hút ý nhiều nhà khoa học nghiên cứu có độ bền độ cứng cao mà lại có mật độ khối tính biến dạng thấp Các tính tốn lý thuyết phép đo thực nghiệm cho thấy CNTs có độ cứng tương tự kim cương Cho đến thời điểm này, ống nano carbon vật liệu có độ cứng, ứng suất Young sức căng học lớn mà lồi người tìm Tính chất học ống nano carbon không phụ thuộc vào độ xoắn chiral phụ thuộc vào đường kính ống Độ cứng lớn ống nano carbon đơn vách có đường kính từ đến nm vào khoảng TPa, cịn ống nano carbon đa vách lớn hơn, vào khoảng 1,1 đến 1,3 TPa [4] Bảng 1.1: Một số tính chất học hai loại ống than nano Ứng suất Young (GPa) Độ cứng (Gpa) Tỷ trọng (g/cm3) 1.200 ~ 150 2,6 MWCNT 1.000 75 1,3 SWCNT  Tính chất từ điện từ trường Giống vật liệu graphite, ống nano carbon có mật độ điện tử phát xạ cao ổn định, nguồn phát xạ trường ý nhiều ứng dụng điện tử  Tính chất hóa học Ống nano carbon có độ nhạy cao tương tác hóa học mơi trường, ứng dụng sinh học hóa học Những tính chất hóa học ý mạch hở, phản ứng tráng kim, chất độn, chất gia cường, chất hấp phụ, vận chuyển hạt mang điện, chất phụ gia ứng dụng nhiều cảm biến, thiết bị lọc, đầu dò, dự trữ lượng điện tử  Tính chất nhiệt học Than chì kim cương vật liệu có khả giữ nhiệt dẫn nhiệt tuyệt vời Ống nano carbon có tính chất nhiệt học tương tự nhiệt độ phòng nhiệt độ cao nhiệt độ thấp xảy lượng tử hóa phonon, khiến tính chất nhiệt học CNTs đặc biệt Độ dẫn nhiệt ống nano đa vách khoảng từ 1.800 đến 6.000 W/m.K, 3.000 W/m.K ống nano đơn vách Còn độ bền nhiệt ống nano carbon lên tới 2.800oC chân khơng khoảng 750oC khơng khí [4] 1.1.4 Các ứng dụng ống nano carbon lĩnh vực điện tử Các tính chất đặc biệt học, điện tử, quang học nhiệt học ống nano carbon ứng dụng nhiều lĩnh vực điện tử, quang học học Ở đề cập đến ứng dụng bật ống nano carbon lĩnh vực điện tử  Các cảm biến ống nano carbon Do có đặc tính nhạy cảm với tương tác hóa học mơi trường mà ống nano carbon ứng dụng linh kiện cảm biến với kích thước cỡ vài micromet Độ trở kháng điện tử ống nano carbon đơn vách bán dẫn thay đổi đột ngột bị hấp thụ khí, điều hữu ích cảm biến hóa học Khi đó, sợi SWNT nằm hai điện cực thay đổi điện trở tương ứng với tương tác phân tử khí với ống nano carbon  Đầu dị ống nano carbon Hiệu suất thiết bị kính hiển vi đầu dị phụ thuộc vào kích thước hình dạng đầu tip Với kích thước nano, đường kính nhỏ hệ số tỷ lệ cao khiến đầu dò CNT ý nhiều ứng dụng quan trọng Đặc biệt đầu dò CNT bền học nên sử dụng thời gian dài Hình 1.7: Ảnh SEM đầu dị CNT gắn cantilever Đầu dò CNT dùng đầu ghi đĩa chất lượng cao, đầu đọc ổ cứng, đầu dị kính hiển vi lực hạt nhân (AFM), thiết bị vi khắc (lithography), đầu dò siêu nhạy hóa học sinh học,…  Làm dây dẫn nano linh kiện mạch điện tử Ta tổng hợp ống nano carbon làm dây dẫn với độ dài cỡ micromet với đường kính vài micromet, chúng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt có tính ổn định cao Ta nhìn thao tác kính hiển vi nguyên tử AFM, STM, đồng thời tạo tiếp điểm với điện cực kim loại khác Ống nano carbon, đặc biệt ống nano carbon đơn vách, xem vật liệu lý tưởng cho linh kiện điện tử cỡ nanomet  Các linh kiện điện tử sử dụng ống nano carbon - Làm transistor CNTFET dựa sở cấu hình MOSFET: nhờ dạng hình ống electron tự ống dẫn điện chịu tán xạ, người ta hay gọi chế dẫn kiểu dẫn đường đạn đạo (ballistic conduction) Sự tán xạ electron nguyên nhân gây suy giảm dòng điện làm sản sinh nhiệt vật liệu dẫn điện chất bán dẫn hay kim loại Ống nano carbon có khả tải điện hữu hiệu nhờ sinh nhiệt Hình 1.8 biểu thị sơ đồ CNTFET sử dụng ống nano carbon có cực cổng điều khiển mặt sau Hình 1.8: Sơ đồ CNTFET có cực cổng điều khiển phía sau - Ta chế tạo nhớ với việc tạo ống nano carbon song song, chiều dọc chiều ngang vng góc với Với việc đặt điện điều khiển xác định, tạo linh kiện chuyển mạch chốt giao Các chốt tạo nên chuyển mạch trạng thái đóng hay mở - Dùng để chế tạo chuyển tiếp p-n nhớ 1.2 Transistor hiệu ứng trường (FET) 1.2.1 Nguyên lý hoạt động Hoạt động transistor trường dựa nguyên lý hiệu ứng trường, nghĩa độ dẫn diện đơn tinh thể bán dẫn điện trường bên ngồi điều khiển Dịng điện transistor trường loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống điện tử Nguyên lý hoạt động transistor trường dòng điện qua mơi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi tác dụng điện trường vng góc với lớp bán dẫn Khi thay đổi cường độ điện trường làm thay đổi điện trở lớp bán dẫn làm thay đổi dịng điện qua Lớp bán dẫn gọi kênh dẫn diện Transistor trường có ba chân cực: cực Nguồn (S - source), cực Cửa (G - Gate), cực Máng (D - Drain) - Cực Nguồn (S): cực mà qua hạt dẫn đa số vào kênh tạo dòng điện nguồn Is - Cực Máng (D): cực mà hạt dẫn đa số dời khỏi kênh - Cực Cửa (G): cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh 1.2.2 Phân loại Transistor trường có hai loại là: [2] - Transistor trường điều khiển tiếp xúc P-N hay gọi transistor trường mối nối (Junction field effect transistor – JFET) - Transistor có cửa cách điện (Insulated-gate filed transistor – IGFET) Thơng thường lớp cách điện dùng lớp oxit nên cịn gọi metal-ocide-semiconductor transistor (MOSFET) Có loại MOSFET:  MOSFET kênh sẵn  MOSFET kênh cảm ứng 1.2.3 Transistor trường loại cực cửa cách ly (IGFET) Đây loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện lớp cách điện mỏng Lớp cách điện thường dùng chất oxit nên ta thường gọi tắt transistor trường loại MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)  MOSFET kênh sẵn a Cấu tạo MOSFET kênh sẵn gọi MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET - DMOSFET) Transistor trường loại MOS có kênh sẵn loại transistor mà chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh dẫn Hình 1.9: Cấu tạo MOSFET kênh sẵn loại P [2] b Nguyên lý hoạt động Transistor loại MOSFET kênh sẵn có hai loại: kênh loại P kênh loại N Nguyên lý làm việc hai loại transistor kênh P kênh N giống có cực tính nguồn điện cung cấp cho chân cực trái dấu Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S nối với đế nối đất nên Us=0 Các điện áp đặt vào chân cực cửa G cực máng D so với chân cực S Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho chân cực cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh cực máng D để tạo nên dòng điện ID mạch cực máng Còn điện áp đặt cực Cửa có chiều cho MOSFET làm việc chế độ giàu hạt dẫn chế độ nghèo hạt dẫn Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý MOSFET [2] a MOSFET kênh sẵn loại P b MOSFET kênh sẵn loại N - Xét khả điều khiển MOSFET kênh sẵn loại P (hình 1.10a) Khả điều khiển dòng điện ID điện áp cực UDS đặc tuyến truyền đạt MOSFET, nói cách khác, mối quan hệ dịng điện ID với điện áp UGS, ta có hàm sau: ID = f(UGS) UDS = const Để hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S cực máng D, ta đặt điện áp cực máng UDS = UDS1 < giữ không đổi Sau thay đổi điện áp cực cửa UGS theo chiều dương theo chiều âm Khi UGS = tác dụng điện áp UDS lỗ trống chuyển động từ cực nguồn cực máng tạo nên dòng điện ID Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống hút kênh làm nồng độ hạt dẫn kênh tăng lên, độ dẫn điện kênh tăng dòng điện chạy kênh ID tăng lên Chế độ làm việc gọi chế độ giàu hạt dẫn Nếu UGS > 0, lỗ trống bị đẩy xa kênh làm mật độ hạt dẫn kênh giảm xuống, độ dẫn điện kênh giảm dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống Chế độ làm việc gọi chế độ nghèo hạt dẫn Mối quan hệ thể hình 1.11a - Xét họ đặc tuyến (hay quan hệ dòng điện ID điện áp UDS) ID = f(UDS) UGS = const Hình 1.11: Các họ đặc tuyến MOSFET kênh sẵn loại P [2] a) Họ đặc tuyến điều khiển ID=f(UGS) UDS không đổi b) Họ đặc tuyến ID=f(UDS) UGS khơng đổi Hình 1.11b thể họ đặc tuyến MOSFET kênh sẵn loại P Đây đường biểu diễn mối quan hệ dòng điện ID với điện áp UDS ứng với giá trị điện áp UGS khác 10 Các tham số ảnh hưởng trình tổng hợp ống than nano phương pháp lắng động hóa học là: nguồn carbon, tốc độ dịng khí, tỷ lệ khí, chất xúc tác, vật liệu hỗ trợ nhiệt độ tổng hợp Phương pháp có nhiều ưu điểm nhiệt độ sinh thấp, điều khiển trình mọc khả ứng dụng quy mô sản xuất công nghiệp Khuyết điểm kể ống nano carbon có tính chất học yếu so với CNTs tổng hợp phóng điện hồ quang bốc bay laser 24 Chương CHẾ TẠO CNTFET 3.1 Cấu trúc CNTFET chế tạo CNTFET chế tạo theo dạng cổng sau (back-gated CNTFET) Hình 3.1: Cấu trúc Back-Gated CNTFET thực nghiệm chế tạo 3.2 Chuẩn bị 3.2.1 Mặt nạ (mask) Mặt nạ thiết kế chương trình Clewin để sử dụng q trình quang khắc gồm 6x6 vị trí ký hiệu từ 11 đến 66 hình 3.2a Hình 3.2: Cấu trúc mặt nạ a) Cấu trúc mặt nạ; b) Cấu trúc điện cực S - D Tại vị trí 16 cặp điện cực thiết kế với chiều rộng chiều dài thay đổi Việc thiết kế nhằm mục đích tạo điều kiện khảo sát thay đổi đặc tính điện CNTFET tạo thành theo khoảng cách từ cực nguồn đến cực máng chiều rộng cực máng, nguồn Chi tiết thiết kế phần mềm Clewin tham khảo Phụ lục Bảng 2.1: Chiều rộng ứng với vị trí mặt nạ (đơn vị: µm) 11 12 13 14 15 16 (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) (W5) 21 22 23 24 25 26 (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) 31 32 33 34 35 36 (W7) (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) 41 42 43 44 45 46 (W5) (W7) (W7) (W10) (W5) (W7) 51 52 53 54 55 56 (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) (W5) 61 62 63 64 65 66 (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) Bảng 2.2: Chiều rộng, chiều dài, số lượng ứng với vị trí 11 11 10 11 12 2 2 2 2 2 W L 10 100 10 10 10 10 10 10 20 50 20 50 25 13 20 14 15 2 50 200 16 50 N 5 20 20 35 35 50 50 5 20 20 35 35 50 3.2.2 Dung dịch chứa ống carbon đơn lớp (SWCNTs) Chuẩn bị dung dịch: - Pha SWCNTs vào dung dịch NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) theo tỷ lệ: SWCNTs 2.5 mg : 50 ml NMP - Siêu âm giờ, li tâm 10000 vòng/phút (10 phút), lọc thu dung dịch (thực lần) - Dung dịch sau lọc pha loãng NMP với nồng độ khác  3.2.3 Chuẩn bị đế silicon ( Si wafer) Trong đề tài này, Si wafer với thông số sử dụng: - Đế Silic loại P++, đánh bóng mặt (Single side polishing) - Chiều dày: 525µm - Điện trở xuất: 0.011-0.025 ohm.cm - Đường kính: 100mm - Nhà sản xuất: Silicon valley – USA 3.3 Các bước chế tạo  Bước 1: Tạo lớp SiO2 bề mặt phiến Si Lớp SiO2 tạo bề mặt Si nhiều cách Ở sử dụng phương pháp Oxy hoá nhiệt mơi trường khơ (dry oxidation) Oxy hố nhiệt q trình oxy hố xảy ngun tử oxy có mơi trường ngun tử Si có phiến đế Si nhiệt độ cao, tạo nên lớp SiO2 Dải nhiệt độ oxy hoá thường nằm vùng từ 900oC-1500oC Thực hiện: - Làm wafer:  Dicloroethane (10 phút)  Siêu âm Acetone (10 phút)  Isopropanol (10 phút)  Nước DI (30 phút)  Làm khơ khí nitrogen  Dung dịch piranha (30 phút)  Nước DI (3 phút)  BHF (6:1) (30 giây)  Nước DI (1 phút)  Làm khô khí nitrogen Sau cho nhanh vào lị oxidation - Oxy hố khơ (dry oxidation) Sử dụng khí O2  26 50  Nhiệt độ trình: 1050oC, 100 phút, ủ N2 30 phút Kiểm tra độ dày chiết suất lớp SiO2 thiết bị Ellipsometer  Mục đích: Tạo lớp SiO2 có độ dày cỡ 100nm đến 150nm, dùng làm lớp cách điện đế mang silicon SWCNTs Hình 3.3: Đế Si oxy hoá nhiệt tạo lớp SiO2  Bước 2: Tẩy lớp SiO2 mặt sau đế Si  Thực hiện: - Baking 120oC (2 phút) - Primer 4000 vòng/phút (20s) - Phủ lớp photoresist 907/17 lên bề mặt đế phương pháp phủ quay (spin coating), dung dịch photoresist nhỏ giọt lên đế cho đế quay, tác dụng lực ly tâm, dung dịch lan bề mặt đế Để thực việc phủ photoresist ta dùng máy quay hình 2.1e với thơng số điều chỉnh: primer 4000 vòng/phút vòng 40s - Hot plate 120oC (10 phút) - BHF (6:1) (2-3 phút) - Acetone - Nước DI - Piranha (30 phút) Làm khô N2 - O2 plasma  Mục đích: tẩy lớp SiO2 mặt sau đế Si Hình 3.4: Đế Si sau tẩy lớp SiO2 mặt sau  27 Bước 3: Phun phủ SWCNT  Thực hiện: Phương pháp thực hiện: phủ phun (spray coating) Thiết bị bao gồm súng phun gắn với vòi phun áp suất thấp, dung dịch SWCNT đổ vào bình chứa sau phun trực tiếp lên wafer - Mẫu đặt bếp nung nóng nhiệt độ 250oC - Súng phun có đường kính 0.8mm Khí N2 - Áp suất 2MPa - Khoảng cách 30cm Khảo sát theo nồng độ dung dịch SWCNT - Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT - Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + ml dung dịch NMP - Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + ml dung dịch NMP  Mục đích: phủ lớp SWCNT lên phía lớp SiO2 Ống nano carbon đơn vách đóng vai trị kênh dẫn cấu trúc CNTFET  Hình 3.5: Đế Si sau phủ lớp SWCNT Bước 4: Tạo điện cực máng (D) điện cực nguồn (S)  Thực hiện: - Phủ lớp photoresist  Baking 120oC (5 phút)  Primer 4000 v/p (20s)  Photoresist OiR 907/17, primer 4000v/p (20s)  Hot plate 90oC (1 phút) Hình 3.6: Đế Si sau phủ lớp photoresist - Quang khắc:  Công suất nguồn: 350W; Bước sóng 365nm; 25mW/cm2  Chế độ hard contact  Thời gian chiếu sáng (exposure time): 5s  Baking 120 oC (1 phút) Hình 3.7: Quang khắc - Hiện ảnh  Dung dịch ảnh: TMAH 2,5% (50 -55s)  Rửa nước DI  Prime 4000v/p 20s (quay khô, không phủ primer)  Hot plate 120oC (30 phút) Hình 3.8: Đế Si sau ngâm dung dịch ảnh - Phủ kim loại làm điện cực Sử dụng phương pháp bốc bay chùm điện tử (Electron-beam) tạo lớp kim loại làm điện cực máng điện cực nguồn Lớp Ti có vai trị giúp lớp Pt bám dính bề mặt lớp SWCNT Chiều dày:  Ti: 1,17.10-5 mbar (20nm)  Pt: 2.7.10-5 mbar (100nm) 28 Hình 3.9: Đế Si sau phủ lớp kim loại làm điện cực - Lift-off Aceton  Ngâm Acetone 30 phút  Rửa lại nước DI Hình 3.10: Đế Si sau lift-off  Mục đích: tạo điện cực máng (D-Drain) điện cực nguồn (S-Source)  Bước 5: Tạo điện cực cổng (G-Gate)  Thực hiện: tạo điện cực cổng (G-Gate) phương pháp phún xạ (sputtering) - Kim loại sử dụng: nhôm (Al) - Ar: 15 sccm - Áp suất: 8.2.10-3 mbar - Công suất: 100W (60 phút)  Mục đích: tạo điện cực cổng (G-Gate) có chiều dày 500nm  Bước 6: Ủ nhiệt (ohmic contact)  Thực hiện: Nung mẫu N2 - Nhiệt độ 400 – 450oC - Thời gian 20 phút Khảo sát theo nhiệt độ nung thời gian để lớp ohmic có điện trở nhỏ Hình 3.11: Hình dạng CNTFET hồn chỉnh 29 Chương ĐO ĐẠC, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 SWCNTs chế tạo wafer Sau trình thực nghiệm nêu chương 3, thu wafer loại inc, có SWCNTs Hơn nữa, SWCNTs nằm điện cực, kết nối bên ngồi, cho phép khảo sát tính chất điện CNTFET - nhiệm vụ luận văn Trên hình 4.1 hình ảnh wafer chứa đơn sợi CNTs Các đơn sợi CNTs nằm điện cực, cho phép khảo sát tính chất điện đặc trưng CNTFET Hình 4.1: Các đế silic chứa đơn sợi CNTs 4.2 Phổ Raman SWCNT bề mặt đế silic Kết chụp Raman bề mặt đế sau phủ dung dịch SWCNT lên đế phương pháp phun phủ (spray coating) Khảo sát theo nồng độ khác trình bày hình 4.2-4.5 Hình ảnh chụp máy phổ kế micro raman (micro raman spectroscopy LABRAM 300; JOBINYVON; Pháp) Các nồng độ dung dịch SWCNTs khảo sát: - Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT - Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + ml dung dịch NMP - Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + ml dung dịch NMP - Mẫu 4: 4ml dung dịch SWCNT có phủ lớp APTES để tăng độ bám dính SWCNTs lên bề mặt đế mang 30  Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.2: Ảnh Raman mẫu  Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + ml NMP  Hình 4.3: Ảnh Raman mẫu Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + ml NMP Hình 4.4: Ảnh Raman mẫu thứ  Mẫu 4: 4ml dung dịch SWCNT có phủ lớp APTES để tăng độ bám dính SWCNTs lên bề mặt đế mang Hình 4.5: Ảnh Raman mẫu Các kết RAMAN cho thấy lớp phủ bề mặt lớp SWCNTs, đáp ứng yêu cầu để chế tạo CNTFET Kết hợp với việc khảo sát tính chất điện, chúng tơi thấy việc thêm vào lớp APTES để tăng độ bám dính SWCNTs lên bề mặt đế mang silicon cần thiết 4.3 Kết quan sát kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Kết chụp AFM bề mặt đế sau phủ dung dịch SWCNT lên đế phương pháp phun phủ (spray coating) Khảo sát theo nồng độ khác Hình ảnh chụp kính hiển vi nguyên tử lực (Atomic force microscope) Tên máy: ELECTRONICA S.L; Hãng sản xuất: NANOTEC  Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.6: Ảnh AFM mẫu  Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + ml NMP  Hình 4.7: Ảnh AFM mẫu Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + ml NMP 31 Hình 4.8: Ảnh AFM mẫu Từ ảnh AFM cho thấy diện phân bố CNTs bề mặt chip Tuy nhiên nói hình ảnh AFM không mang lại thông tin chi tiết mà thực quan tâm Sau nhiều lần quan sát AFM, nhận thấy việc quan sát để có thơng tin chi tiết SWCNTs khó khăn, đặc biệt trường hợp SWCNTs có kích thước siêu nhỏ vài nanomet Các thiết bị có độ phân giải cao high resolution SEM, TEM cần thiết cho công việc nghiên cứu 4.4 Kết quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM)  Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.9: Ảnh SEM mẫu  Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + ml NMP Hình 4.10: Ảnh SEM mẫu  Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + ml NMP Hình 4.11: Ảnh SEM mẫu Các hình ảnh SEM (hình 4.9 - hình 4.11) cho thấy rõ ràng diện phân bố SWCNTs bề mặt đế mang, mẫu thứ cho mật độ CNTs cao nhất, mẫu thứ cho mật độ thấp Điều cho thấy phụ thuộc lượng dung dịch sử dụng đến mật độ sợi Ngồi sợi có xu hướng phân bố toàn bề mặt mẫu thứ nhất, bề mặt đế mang có nhiều khoảng trống khơng chứa SWCNTs, điều dẫn đến việc khơng lặp lại tính chất linh kiện sau (do phân bố không đều) Ngoài việc quan sát ảnh SEM cho thấy diện tạp chất (các điểm màu sang ảnh SEM) Các phân tích khác không đủ thông tin để đưa kết luận tạp Tuy nhiên chúng tơi cho tạp chất solvent gây Việc sử dụng solvent với độ tinh khiết cao hay có bước lọc 32 (purification) cho solvent trước sử dụng đề nghị tiến hành nghiên cứu sau 4.5 Đặc trưng Id-Vd SWCNT FET Trong phần này, khảo sát thay đổi đường đặc trưng Id - Vd theo khoảng cách cực nguồn cực máng điện cực cổng Vg Các thí nghiệm đo đạc thực hệ đo đặc trưng I-V cho linh kiện bán dẫn (Agilent 4155C), kết nối với hệ probe station (Suss FP6)  Đặc trưng Id-Vd SWCNT FET với W = 5µm Hình 4.12: Đặc trưng Id – Vd CNTFET với W = 5µm  Đặc trưng Id-Vd SWCNT FET với W = 7µm Hình 4.13: Đặc trưng Id – Vd CNTFET với W = 7µm  Đặc trưng Id-Vd SWCNT FET với W = 10µm Hình 4.14: Đặc trưng Id – Vd CNTFET với W = 10µm Các kết đo khảo sát I-V cho thấy SWCNT FET chế tạo có tính chất điện đặc trưng cho CNT FET cơng bố nhóm nghiên cứu khác Tuy nhiên đặc trưng I-V cho thấy điện trở tiếp xúc đơn sợi CNTs với kim loại làm đường dẫn (metal-semiconductor contact) tương đối lớn (chưa thực tiếp xúc ohmic) CNT FET chế tạo luận văn Trong trình chế tao linh kiện chúng tơi, tiếp xúc kim loại-SWCNTs linh kiện FET ủ nhiệt môi trường chân không nhằm tạo tiếp xúc ohmic Tuy nhiên để thực đạt tiếp xúc Ohmic, môi trường ủ nhiệt cần thiết phải ủ hỗn hợp khí N2:Ar (10:90), điều kiện chưa có Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Nano Hiện phịng thí nghiệm chuẩn bị để linh kiện chế tạo xử lí điều kiện chuẩn, tạo tiếp xúc Ohmic chuẩn cho SWCNT FET 33 KẾT LUẬN Trên sở tiếp nối nghiên cứu giới bước đầu tìm hiểu cách có hệ thống cơng nghệ chế tạo, ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo đến thông số đặc trưng transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon, đề tài: “Thiết kế, chế tạo kiểm tra đặc tính điện transistor transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” bước đầu đạt kết sau: Xây dựng qui trình chế tạo thành công CNTFET theo cấu trúc back-gated Khảo sát phụ thuộc nồng độ dung dịch pha SWCNT đến phân bố bề mặt đế mang silicon Từ kết khảo sát, ảnh chụp raman, SEM cho kết tốt, phù hợp với kết cơng bố [23], từ tìm điều kiện thích hợp cho q trình thực nghiệm chế tạo SWCNT FET Quá trình phủ dung dịch ống nano carbon đơn vách lên bề mặt đế sử dụng phương pháp phủ phun (spray coating) với điều kiện nhiệt độ đế, khoảng cách nồng độ dung dịch cho kết tốt (thể qua ảnh chụp AFM SEM), ống nano carbon phủ bề mặt đế  Tuy nhiên phương pháp điểm hạn chế khơng kiểm sốt chắn ống nano carbon sau phủ có nối cực nguồn cực máng hay chưa Hiện cần tìm hiểu phương pháp thực trình cho tỷ lệ thành cơng cao kiểm sốt tốt vị trí ống nano carbon Sản phẩm CNTFET tạo thành có đặc trưng Id-Vd phù hợp với tài liệu nghiên cứu công bố trước [12] [13] Bước đầu khảo sát cách hệ thống ảnh hưởng khoảng cách từ cực máng đến cực nguồn đến đặc trưng Id-Vd điều khiển áp vào cực cổng thay đổi Các thông số thiết lập để khảo sát phần phụ lục 34 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO Sau nghiên cứu, trao đổi, đề xuất hướng nghiên cứu sau đây, để hồn chỉnh qui trình chế tạo SWCNT FET với tính chất đặc trưng tốt hơn: Thay đổi quy trình cơng nghệ để chế tạo sợi CNT có tính định hướng, đơn sợi hay bó sợi việc sử dụng từ trường trình phun, phủ dung dịch CNT lên bề mặt đế mang silicon Do điều kiện Phịng thí nghiệm, đặc biệt thiết bị quang khắc chế tạo cấu trúc xuống kích thước micron, việc chế tạo FET khơng có ý nghĩa thực tế FET chế tạo xuống kích thước nanomet Tuy nhiên SWCNT FET với chiều dài kênh dẫn kích thước micron lại có nhiều ứng dụng ưu việt nhiều lĩnh vực khác Ví dụ SWCNT FET hồn tồn thích hợp để làm cảm biến khí cảm biến sinh học (nanobiosensors) để đo nồng độ chất sinh học 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Đào Khắc An (2009), Công nghệ micrô nanô điện tử, Nhà xuất Giáo Dục, Đà Nẵng Trần Thị Cầm (2007), Giáo trình Cấu kiện điện tử, Hà Nội Nguyễn Thị Lưỡng (2010), Linh kiện điện tử nano Quách Huy Tường (2010), Ống nano carbon – Các phương pháp chế tạo, tính chất ứng dụng Tiếng Anh Annick Loiseau & Stephan Roche (2005), Understanding carbon nanotubes From basics to applications, Springer, Berlin Heidelberg J Deng, H.-S P Wong (2007), “A Compact SPICE Model for Carbon-Nanotube Field-Effect Transistors Including Nonidealities and Its Application - Part I: Model of the Intrinsic Channel Region”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol 54, pp 3186-3194 Kazuyoshi Tanaka & Tokio Yamabe & Kenichi Fukui (1999), The science and technology of carbon nanotubes, Netherlands Michael J.O’Connell, Ph.D (2006), Carbon Nanotubes Properties and Applications, Taylor & Francis, California M.Meyyappan (2005), Carbon nanotubes Science and applications, NASA Ames Research Center, CRC Press 10 N Patil, A Lin, E Myers, K Ryu, A Badmaev, C Zhou, H.-S.P Wong, S Mitra 2009, "Wafer-Scale Growth and Transfer of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes," IEEE Transactions on Nanotechnology, vol 8, pp 498-504 11 S Dresselhaus,G Dresselhaus and P Avouris (2000), Carbon Nanotubes : Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Springer-Verlag 12 S J Wind, J Appenzeller, R Martel, V Derycke, and Ph Avouris (2002), “Vertical scaling of carbon nanotube field-effect transistors using top gate electrodes”, IBM T J Watson Research Center, P.O Box 218, Yorktown Heights, New York 13 Tamer Ragheb (2007), “Carbon Nanotube Field-Effect Transistors (CNTFETs): Evolution and Applications for Future Nanoscale ICs” SWeNT® 14 T.W.Ebbesen (1996), Carbon nanotubes preparation and properties, CRC Press Thông tin từ Internet 15 CNTs http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube 16 CNFET Models http://nano.stanford.edu/models.php 17 MORRE’S LAW http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law 18 FET http://en.wikipedia.org/wiki/Field-effect_transistor 36 19 20 21 22 23 37 FET http://www.freescale.com http://en.wikipedia.org/wiki/Sumio_Iijima http://nobelprize.org/educational/physics/transistor/history/ http://nhantainhanluc.com Raman http://www.swentnano.com/tech/docs/Final_SG_65_Data_Sheet.pdf PHỤ LỤC Phần mềm Agilent Easy EXPERT đo đặc trưng Id-Vd Các thông số điều chỉnh khảo sát đặc trưng Id-Vd sản phẩm CNTFET tạo thành - CNTFET loại P Polarity: Pch - Dịng Id cực đại: 5µA - Điện cực cổng có giá trị thay đổi từ -4V đến 0V với bước nhảy 1V - Điện cực máng thay đổi từ 2V đến 0V với bước nhảy 100mV Hình 5.1: Thơng số điều chỉnh đo đặc trưng Id-Vd CNTFET Hình ảnh mặt nạ thiết kế phần mềm Clewin Mặt nạ thiết kế chương trình Clewin để sử dụng q trình quang khắc gồm 6x6 vị trí Tại vị trí 16 cặp điện cực thiết kế với chiều rộng chiều dài thay đổi Việc thiết kế nhằm mục đích tạo điều kiện khảo sát thay đổi đặc tính điện CNTFET tạo thành theo khoảng cách từ cực nguồn đến cực máng chiều rộng cực máng, nguồn Hình 5.2: Hình ảnh tổng thể mặt nạ thiết kế phần mềm Clewin Hình 5.3: Hình ảnh chi tiết ô mặt nạ 38 ... dụng ống nano carbon, đề tài: ? ?Thiết kế, chế tạo kiểm tra đặc tính điện transistor transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon? ?? bước đầu đạt kết sau: Xây dựng qui trình chế tạo thành... thiệu tổng quan cấu trúc, tính chất đặc trưng, ứng dụng thực tế ống nano carbon - Giới thiệu sơ lược transistor hiệu ứng trường (MOSFET) - Giới thiệu transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano. .. ? ?Thiết kế, chế tạo kiểm tra đặc tính điện transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon? ?? Đề tài thực hiện, sử dụng thiết bị chế tạo đo đạc Phịng Thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM