HOÀNG HẢI LIÊM
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA CÁC ĐẶC TÍNH
ĐIỆN CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET)
SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

1.3.3. Nguyên lý hoạt động của CNTFET 17
1.3.4. Một vài ứng dụng điển hình của CNTFET 18
Chƣơng 2 – THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu, dụng cụ và thiết bị 19
2.1.1. Vật liệu 19
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm 19
2.1.3. Các thiết bị kiểm tra, đo đạc phân tích mẫu 20
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 22
2.2.1. Oxy hoá nhiệt trong môi trƣờng oxy khô (dry oxidation) 22
2.2.2. Phƣơng pháp phun phủ tạo lớp màng SWCNTs 23
2.2.3. Quang khắc 23
2.2.4. Phƣơng pháp chế tạo màng kim loại làm điện cực 26
2.2.5. Các phƣơng pháp tổng hp ống nano carbon 38
Chƣơng 3 – CHẾ TẠO CNTFET
3.1. Cấu trúc CNTFET chế tạo 34
3.2. Chuẩn bị 34
3.2.1. Mặt nạ 34
3.2.2. Dung dịch SWCNTs 35
3.2.3. Chuẩn bị wafer 35
3.3. Các bƣớc chế tạo 36

Chƣơng 4 – ĐO ĐẠC
DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT Trang iii
DANH MC CÁC BNG iii
DANG MC CÁC HÌNH V iv
LI M U 1
 TNG QUAN
1.1. ng nano carbon 3
1.1.1. Tng quan ng nano carbon 3
1.1.2 Câ
́
u tru
́
c ô
́
ng nano carbon 5
1.1.3. Cc tnh cht ca ng nano carbon 6
1.1.4. Các ứng dụng ca ng nano carbon trong lĩnh vực điện tử 8
1.2. Transistor hiu ng (FET) 10
1.2.1 Nguyên lý hon 10
1.2.2. Phân loi 10
ng loi cc ca cách ly (IGFET) 10
1.3. Transistor hiu ng ng dng ng nano carbon (CNTFET) 15
1.3.1. Gii thiu CNTFET 15
1.3.2. Cu trúc ca CNTFET 15
1.3.3. Nguyên lý hong ca CNTFET 17
1.3.4. Mt vài ng dn hình ca CNTFET 18
 THIT B U
2.1. Vt liu, dng c và thit b 19
2.1.1. Vt liu 19
2.1.2. Dng c và thit b thc nghim 19
2.1.3. Các thit b kic phân tích mu 20

3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AFM
Atomic Force Microscopy
Kính hiển vi điện tử quét
CNT
Carbon NanoTubes
ng nano carbon
CNTFET
Carbon nanotubes Field Effect
Transistor
Transistor hiu  ng
ng dng ng nano carbon
CVD
Chemical Vapour Deposition







D-MOSFET
Depletion mode Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET ch  nghèo
E-MOSFET
Enhancement mode Metal-Oxide-
Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET ch  giàu

4
DANH MỤC CÁC BẢNG
1.1  









 Trang 7
Bng 2.1  Chiu rng ng vi tng v trí trên mt n : µm) 35
Bng 2.2  Chiu rng, chiu dài, s ng thanh ng vi v trí 11 35

5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.1  Mt s cu trúc ca carbon Trang 3
1.2   4
1.3  (SWCNTs) 4
1.4  
 5
1.5   5
1.6  


Hình 2.10   nguyên lý phún x catot 26
Hình 2.11   nguyên lý phún x bn mt chiu 27
Hình 2.12   nguyên lý phún x xoay chiu cao tn RF 27
6
Hình 2.13   nguyên lý bc bay bn t 28
Hình 2.14  





 29
Hình 2.15  













 30
Hình 2.16  



Chương 3 – Chế tạo CNTFET
Hình 3.1  Cu trúc Back-Gated CNTFET thc nghim ch to 34
Hình 3.2  Cu trúc mt n 34
Hình 3.3  B m c oxy hoá nhit to lp SiO
2
36
Hình 3.4   Si sau khi ty lp SiO
2
 mt sau 37
Hình 3.5   Si sau khi ph lp SWCNT 37
Hình 3.6   Si sau khi ph lp photoresist 38
Hình 3.7  Quang khc 38
Hình 3.8   Si sau khi ngâm dung dch hin nh 38
Hình 3.9   Si sau khi ph lp kim loi làm n cc 39
Hình 3.10   Si sau khi lift-off 39
Hình 3.11  Hình dng CNTFET hoàn chnh 40
Chương 4 – Đo đạc
Hình 4.1   silic chi CNTs 41
Hình 4.2  nh Raman mu 1 42
Hình 4.3  nh Raman mu 2 42
Hình 4.4  nh Raman mu 3 43
Hình 4.5  nh Raman mu 4 43
Hình 4.6  nh AFM mu 1 44
Hình 4.7  nh AFM mu 2 44
Hình 4.8  nh AFM mu 3 45
Hình 4.9  nh SEM mu 1 45
Hình 4.10  nh SEM mu 2 46
Hình 4.11  nh SEM mu 3 46
Hình 4.12  
d




  t





 ,
1965 

 .


 ( 19/4/1965). Trong bài báo ca mình TS.
  s phát trin ca ngành ch to vi m

 


 n nh transistor, 




trên mt chip ca mch t ha mch gim xung. C sau 18
tháng thì m a mch ging mt
nng này ch yc ch to da trên công
ngh bán dn silicon.










 , 



 






10-15 

.
 tip ni các nghiên c u tìm hiu mt cách có h thng v
công ngh ch to, ng ca các thông s công ngh ch tn các thông s
a transistor hiu ng s dng ng nano carbon, mc tiêu ca lun
c s t k, ch to và kin ca transistor hiu
ng (FET) s dng  c thc hin, s dng các thit
b ch tc ti Phòng Thí Nghim Công Ngh 
Ni dung nghiên cc trình bày trong các phn chính sau:

 u này to
nên s ng trong cu trúc carbon cùng nhiu tính chc bit, khin carbon tr
thành mt nguyên t n trong hóa hc h sng. T nhng c
c bin t nhiu th k c là than chì (graphite) (diamond) n
các cu trúc nano mc khám phá gng nano carbon
(carbon nanotubes), 

 n nhiu ng dng trong công nghip
i.
t c

(



) và bn nhóm cu
trúc tinh th c

.

Hình 1.1: Mt s cu trúc ca carbon




















 . 





 Buckminster fullerene C60,
 ,  60 

 






. 1991, 










  [19]. 

























 4  30





 1µm. 






  , 







(a) 5 , 



6,7 nm; (b) 2 , 



5,5 nm;
(c) 7 , 



6,5 nm, 







2,2 nm
5
1.1.2 Câ
́
u tru
́
c ô
́
ng nano carbon
Vê
̀
ba
̉
n châ
́
t , ống na no carbon la
̀
mô
̣
t hay nhiê
̀
u tâ
́
m graphite cuô
̣
n tro
̀
n la
̣
i
thành dạng các ống nano, c đưng knh t 1 nm (đô

̀
0,34 – 0,36 nm.
Câ
́
u tru
́
c cu
̉
a ô
́
ng nano đươ
̣
c xa
́
c đi
̣
nh bơ
̉
i vector chiral
Ch
và gc chiral θ.
Vector chiral đươ
̣
c cho bơ
̉
i công thư
́
c sau:
Ch=na1+ma2










 Ch, 
chiral 

.
Hnh 1.4: 

:
Hnh 1.5: (a) zig  zag; (b) chiral; (c) armchair

,  .
 , 
















Hnh 1.6: 





1.1.3. Các tnh cht cu
̉
a ô
́
ng nano carbon
 Tnh cht đin t











 . 


















,












 . 



 ~ 0,5 eV. 








   . 
   khá cao
v





 . 

, 








.
Hu h

.cm.
[4]  1.000 






, 

, 









10
13
A/m
2
.

 Tnh cht quang và quang điê
̣
n



 . 







 
có th ng d











 


SWCNTs. [4][5]





, 














  





















, 



.

 .  








1 2 



1 TPa, 





t tư
̀
va
̀
điê
̣
n tư
̀
trươ
̀
ng




 , 















.

 Tnh cht ha hc




















 ,















, 











 , 



, 

,








 





 .
























750
o


. [4]

1.1.4. Các ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực đin t
 , 



, 












































 













 . , 




 

























. 





, 















.

Hnh 1.7:  







 , 





, 
 (AFM), 

 (lithography), 








Nguyên lý ho  n c     t môi
ng bán dn có tit dii tác dng cng vuông góc vi lp
10
bán d ng s n tr ca lp bán
dp bán dc gi là kênh dn
din.
Transistor ng có ba chân cc: cc Ngun (S - source), cc Ca (G - Gate), cc
Máng (D - Drain).
- Cc Ngun (S): là ct d h và to ra dòng
n ngun I
s
.
- Cc Máng (D): là cc mà  t d di khi kênh.
- Cc Ca (G): là cu khin chy qua kênh.

1.2.2. Phân loại
ng có hai loi chính là: [2]
-  u khin bng tip xúc P-N hay g ng
mi ni (Junction field effect transistor  JFET)
- Transistor có cn (Insulated-gate filed transistor  IGFET). Thông
ng lc dùng là lp oxit nên còn gi là metal-ocide-semiconductor
transistor (MOSFET). Có 2 loi MOSFET:
 MOSFET kênh sn
 MOSFET kênh cm ng

1.2.3. Transistor trưng loại cực ca cách ly (IGFET)
ng có cc cn vi kênh dn bng mt lp
n mng. Lng dùng là cht oxit nng gi tt là
ng loi MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).


ngun S qua kênh v c tn I
D
trong mch cc máng. Còn
t trên cc Ca có chiu sao cho MOSFET làm vic  ch  giàu ht dn
hoc  ch  nghèo ht dn.

Hình 1.10:  nguyên lý ca MOSFET [2]
a. MOSFET kênh sn loi P
b. MOSFET kênh sn loi N

- Xét kh u khin ca MOSFET kênh sn loi P (hình 1.10a)
Kh u khin I
D
cn áp trên cc ca U
DS

.
Nu U
GS
< 0, nhiu l trc hút v kênh làm n ht dn trong kênh
 dn cn chy trong kênh I
D
 
làm vic này gi là ch  giàu ht dn.
Nu U
GS
> 0, các l trng b y ra xa kênh làm m ht dn trong kênh gim
xu dn n ca kênh gin chy qua kênh I
D
gim xung. Ch 
làm vic này gi là ch  nghèo ht dn. Mi quan h c th hin  hình 1.11a.

- Xét h c tuyn ra (hay quan h gin I
D
n áp U
DS
)
I
D
= f(U
DS
) khi U
GS
= const
vn áp U
DS
ng vi tng giá tr cn
áp U
GS
khác nhau.
Trên h c tuyn áp U
DS
n qua kênh I
D

c tuyn xut phát t gc tu chnh cho U
DS
âm dn, vi tr s còn nh thì
n I
D
n tính vi s  s cn áp U
DS
và mi quan h này
nh lut Ohm. Ta có vùng thun tr cc tuyn.
n áp U
DS
t ti tr s bão hòa (U
DSb.h
n ct ti
mt tr s gi n bão hòa I
Db.h
.

ng hp này, lp tip xúc P-N b

             
(Enhancement -Mode MOSFET v-


Hình 1.12: 


14

tính 

- 
Hình 1.13: 



D
.
   
GS
    UGS>UGSth     

- 

15 Hình 1.14: a  

GS
   
GS4
  hình
1.14b
DS

I
D
=0

1.3. Transistor hiệu ng trƣờng ng dụng ống nano carbon (CNTFET)
1.3.1. Giới thiu CNTFET
S i cn nào gii quyc v tiêu hao
ng trong hu ht các thit b n t c thit k theo công ngh bóng chân
ng viên gch làm nên nhân ca tt c các b vi x lý
mà chúng ta tng bit. S ng transistor trong b vi x lý càng ln, t x lý

 n t i M o ra
chip silicon [22]. Sáng ch o ra mt cuc cách mng công ngh n t theo
i thng tht ti cho s phát trin ca ngành máy
tính hing li vi cuc sng ca th k qua.
Hin nay, công ngh bán d t silic. Nhng công ty ln
  tính gic ca vi m n t xung còn khong 10nm. Tuy
nhiên, các nhà khoa h ra rng, s rt khó thc hin các vi mch vc
nh i  gii hu xut hin s rò r electron. Ngoài
ra, t x lý d liu cn ch có th tin ti mt
mc nhnh vì nhng gii hn c ta nhi
nhà khoa hc hi vng ri có th tc vt liu có
th thay th silicon.

S)
- n tr tip xúc l
- Tn s hong thp
Cu trúc CNTFET cng sau là cu tiên ca CNTFET.

Trích đoạn Một vài ứng dụng điển hình của CNTFET Đặc trƣng Id-Vd

---