NEC希望在5年內(nèi)利用印刷法形成RFID標簽
近2~3年來,電子器件國際學會上出現(xiàn)了前所未有的景象。以“碳納米管(carbon nanotube)”和“石墨烯(graphene)”為主題的會議現(xiàn)場總是擠滿了器件技術(shù)人員。這些材料受到的關(guān)注源于其作為電子器件材料的出眾潛力。使用上述材料制造高性能器件并克服實用化過程中出現(xiàn)的技術(shù)課題,類似的嘗試與成果接連不斷。
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碳材料將成為21世紀電子領(lǐng)域的主角。超越Si-MOS FET的高速FET、能夠使用卷對卷方式制造的廉價柔性器件、超高靈敏度傳感器等開發(fā)成果的接踵而至令人不禁產(chǎn)生了這樣的預感。使用碳材料實現(xiàn)上述魅力器件的嘗試正在源源不斷地開展。無論在何種用途中,碳材料都能夠發(fā)揮出其他材料所沒有的特殊物性。
在各種碳材料中,碳納米管(carbon nanotube)的應用范圍廣泛,而且開發(fā)事例眾多(圖1)。現(xiàn)有用途包括:(1)LSI用晶體管、(2)柔性器件、(3)LSI布線、(4)傳感器(注1)。對于以上用途,碳納米管都克服了長期以來一直存在的技術(shù)課題,展現(xiàn)出了雄厚實力的端倪。
?。ㄗ?)此外還有發(fā)光器件、顯示器用透明電極等用途。
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圖1:在器件中發(fā)揮碳材料的物性利用碳材料各種特征的器件開發(fā)事例層出不窮。
碳納米管的應用范圍尤為廣泛。本站制作。
利用涂布法在柔性底板上形成FET
(2)柔性器件用途能夠發(fā)揮碳納米管在溶劑中呈墨水狀的特點。因為此類器件的圖案可以使用涂布法繪制。與柔性器件領(lǐng)域開發(fā)活躍的有機材料相比,碳納米管具有兩項優(yōu)勢。第一,載子遷移率高,在柔性底板上也能夠形成高速晶體管。使用涂布法的有機材料難以實現(xiàn)高于100cm2/V·s的載子遷移率,而碳納米管能夠達到這一水平。第二,特性的時間變化容易控制。
NEC正在開展使用印刷技術(shù)在柔性底板上形成碳納米管FET的研究(圖4)。該公司于2009年2月使用“全印刷工藝”試制碳納米管FET,并對其工作情況進行了驗證(圖5)。包括通道在內(nèi),器件的電極、絕緣膜等全部結(jié)構(gòu)要素均使用涂布法在塑料底板上形成。全過程的工藝溫度不到200℃。
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圖4:在柔性底板上形成碳納米管FET 碳納米管在溶液中不分解、不變質(zhì),易于作為墨水材料使用。
圖中柔性底板上的FET只有碳納米管通道為涂布法形成。NEC數(shù)據(jù)。
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圖5:實現(xiàn)“全印刷工藝” (a)NEC成功利用涂布法形成了碳納米管FET的全部結(jié)構(gòu)要素。
(b)傳導型為p型、載子遷移率約為0.01cm2/V·s的器件能夠得到103的開關(guān)比。NEC數(shù)據(jù)。
當載子遷移率約為0.01cm2/V·s時,開關(guān)比能夠達到103,通過控制通道部位的碳納米管密度,“高載子遷移率有望同時得到實現(xiàn)”(NEC納米電子研究所主任研究員二瓶史行)。
NEC希望在5年內(nèi)使利用印刷法形成于柔性底板的碳納米管FET達到實用水平。設(shè)想用途為RFID標簽等。在今后,“(NEC)將對照Si芯片,對其最低制造成本進行驗證”(NEC納米電子研究所研究部長萬伸一)。
石墨烯與納米管分庭抗禮
在晶體管通道材料中,石墨烯(graphene)的迅速崛起對碳納米管形成了威脅。石墨材料具有可逐層分離的結(jié)構(gòu)。石墨烯成為焦點的原因有二。第一,載子遷移率為20萬cm2/V·s,高于碳納米管。第二,結(jié)構(gòu)為層狀,易于作為通道材料使用。為了提高通態(tài)電流,碳納米管需要方向一致并大量排列。而石墨烯無需如此困難的制造工藝。
石墨烯通道FET潛力的發(fā)現(xiàn)者是IBM。該公司于2008年12月開發(fā)出了截止頻率高達26GHz、柵極長度為150nm的石墨烯FET。最新數(shù)據(jù)顯示,截止頻率“已經(jīng)提高到了50GHz”(該公司Avouris)。
石墨烯能夠形成于Si底板
在此之前,石墨烯FET一直面臨以下兩個基本課題。如今,所有問題都看到了解決的希望。
第一個課題是半導體通道特性優(yōu)化技術(shù)。石墨烯雖然在單層狀態(tài)下具備金屬特性,但理論分析顯示,“該材料在雙層化后會出現(xiàn)帶隙,具備半導體特性”(東京工業(yè)大學大學院理工學研究系物性物理學專業(yè)教授安藤恒也)(圖6)。如果把雙層石墨烯加工成細線(納米帶)狀,帶隙還能進一步擴大。借助此類器件結(jié)構(gòu)方面的改進,石墨烯FET有望實現(xiàn)較高的開關(guān)比。
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圖6:石墨烯的潛力備受關(guān)注(a)富士通研究所對于石墨烯FET工作速度的蒙特卡洛模擬實驗。
(b)雙層化能夠使帶隙擴大0.1~0.2eV。富士通研究所數(shù)據(jù),注解為本站添加。
另一個課題是在Si底板上形成石墨烯通道的技術(shù)。在過去,石墨烯的形成方法一般是利用熱處理改變SiC底板表面的原子排列。2008年,日本東北大學電氣通信研究所教授尾辻泰一等人的小組開發(fā)出了令SiC層在Si底板上外延生長,使其表面石墨烯化的方法。具體方法是在{110}面的Si底板上,通過自主開發(fā)的MBE(分子束外延)法,使晶格與該底板匹配的3C-SiC{111}層外延生長。然后通過高溫退火改變SiC層表面的原子排列,形成石墨烯。該小組已經(jīng)利用這種方法在Si底板上形成了通道長度為20μm的石墨烯FET,并對n型晶體管的工作情況進行了確認(圖7)。
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圖7:在Si底板上形成石墨烯FET 假設(shè)途徑SiC緩沖層的漏電流(IGS和IGD)為已知條件計算出的通道電流。
CREST小組數(shù)據(jù),東北大學教授尾辻泰一任該小組代表。