luận văn 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 HOÀNG HẢI LIÊN 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HOÀNG HẢI LIÊN

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

LỜI MỞ ĐẦU

Sau một thời gian nghiên cứu sự phát triển của ngành chế tạo vi mạch tích hợp, năm 1965 tiến sĩ Gordon E.Moore đã công bố bài báo “Cramming more components onto integrated circuits” (tạp chí Electronics 19/4/1965) Trong bài báo của mình TS Moore đã đưa ra dự đoán về sự phát triển của ngành chế tạo vi mạch và có một dự đoán nổi tiếng cho đến những năm gần đây: “Khi mật độ transistor, phần tử cơ bản trên một chip của mạch tổ hợp, tăng lên thì giá thành của mạch giảm xuống Cứ sau 18 tháng thì mật độ đó lại tăng lên gấp đôi và giá thành của mạch giảm đi khoảng một nửa” [17] Những transistor theo xu hướng này chủ yếu được chế tạo dựa trên công nghệ bán dẫn silicon

Nhưng trong thời gian gần đây kích thước transistor chế tạo dựa trên công nghệ bán dẫn silicon đã gần như đạt tới mức nhỏ nhất, tiếp cận các hạn chế về vật lí của linh kiện khi chế tạo dựa trên nền vật liệu silicon Do đó nhiều nghiên cứu đã và đang được tiến hành nhằm đưa ra các giải pháp hiệu quả nhất trong việc tiếp tục thu nhỏ kích thước của transistor, và một trong các giải pháp là chế tạo các transistor dựa trên các vật liệu mới, có tính chất ưu việt hơn silicon trong việc thu nhỏ kích thước linh kiện Với cấu trúc đặc biệt cùng các tính chất điện, cơ ưu việt, ống nano carbon được đánh giá là vật liệu tiềm năng của thế kỷ 21 Từ lúc phát hiện vào năm 1991 đến nay, ống nano carbon (carbone nanotubes- CNTs) được chú trọng nghiên cứu và đưa vào ứng dụng một cách mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học, trong đó việc nghiên cứu, chế tạo các transisitor dựa trên CNTs đã và đang nhận được rất nhiều quan tâm bởi các nhà khoa học

Phương pháp chế tạo transistor sử dụng ống nano carbon được đánh giá là công nghệ hứa hẹn, thay thế silicon khi linh kiện vi mạch chạm đến mức giới hạn kích thước vật lý trong 10-15 năm tới

Để tiếp nối các nghiên cứu trên và bước đầu tìm hiểu một cách có hệ thống về công nghệ chế tạo, ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo đến các thông số đặc trưng của transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon, mục tiêu của luận văn Thạc sỹ này là: “Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” Đề tài được thực hiện, sử dụng các thiết

bị chế tạo và đo đạc tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM

Nội dung nghiên cứu được trình bày trong các phần chính sau:

 Chương 1 – Tổng quan

- Giới thiệu tổng quan về cấu trúc, các tính chất đặc trưng, các ứng dụng thực tế của ống nano carbon

- Giới thiệu sơ lược về transistor hiệu ứng trường (MOSFET)

- Giới thiệu về transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET)

 Chương 2 – Thiết bị và phương pháp nghiên cứu

- Giới thiệu vật liệu và thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo và khảo sát CNTFET

- Trình bày các phương pháp nghiên cứu chế tạo CNTFET

 Chương 3 – Chế tạo CNTFET

- Trình bày chi tiết các bước chế tạo CNTFET

 Chương 4 – Đo đạc

- Khảo sát, đánh giá qui trình chế tạo CNTFET

- Kiểm tra đặc tính điện của sản phẩm CNTFET tạo thành

 Kết luận

- Đánh giá kết quả đạt được

- Hướng phát triển của đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Ống nano carbon

1.1.1 Tổng quan ống nano carbon

Carbon là nguyên tố cơ bản và quan trọng nhất trong tự nhiên Carbon có thể liên kết với chính nó hoặc các nguyên tố khác trong ba kiểu lai hóa orbital Điều này tạo nên sự đa dạng trong cấu trúc carbon cùng nhiều tính chất đặc biệt, khiến carbon trở thành một nguyên tố cơ bản trong hóa học hữu cơ và sự sống Từ những cấu trúc đã

được biết đến từ nhiều thế kỷ trước là than chì (graphite) và kim cương (diamond) đến

các cấu trúc nano mới được khám phá gần đây như Fullerene C60, ống nano carbon

(carbon nanotubes), sợi nano carbon đã mang đến nhiều ứng dụng trong công nghiệp

và thương mại

Cho đến ngày nay, đã có một cấu trúc phi tinh thể (vô định hình) và bốn nhóm cấu trúc tinh thể của carbon được phát hiện

Hình 1.1: Một số cấu trúc của 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 cùng các cộng sự khám phá ra một cấu trúc mới của

carbon bên cạnh các cấu trúc đã biết trước đây Đó là các Buckminster fullerene C60,

gọi tắt là Fullerene, có cấu trúc khối cầu gồm 60 nguyên tử carbon liên kết thành các vòng lục giác và ngũ giác

Trước năm 1991, đã có nhiều khám phá về một loại cấu trúc có chiều dài lớn (cỡ nhiều micro) và đường kính bé (chỉ vài nano) Lúc đầu, nó chỉ được xem như là cấu trúc một chiều của các fullerene Vào năm 1991, cấu trúc cơ bản và tính chất đặc trưng của loại vật liệu mới này được Sumio Ijima công bố lần đầu tiên [19] Khi nghiên cứu tổng hợp fullerene bằng phương pháp hồ quang điện với xúc tác kim loại, Ijima tìm thấy rất nhiều cấu trúc graphite bám tại tâm điện cực bao gồm các hạt nano và các ống rất đặc biệt có đường kích ngoài cùng từ 4 – 30nm và chiều dài cỡ 1µm Bởi vì các ống này có cấu trúc gồm nhiều lớp vỏ là các tấm carbon graphite, cuộn lại theo hình xoắn ốc, đường kính ngoài cùng ở kích thước nano nên Ijima gọi các ống này là ống

nano đa vách (Multi-wall nanotubes, MWNTs)

Hình 1.2: Ảnh điện tử của các ống micro nhiều vách graphite [5]

(a) ống 5 tấm, đường kính 6,7 nm; (b) ống 2 vách, đường kính 5,5 nm;

(c) ống 7 tấm, đường kính 6,5 nm, đường kính bên trong nhỏ nhất là 2,2 nm

Đến năm 1993, ống nano đơn vách (single-wall nanotubes, SWNTs) được tìm ra

Đây là các ống chỉ do một tấm graphite cuộn tròn lại, có đường kính từ 0,4 đến 3 nm, chiều dài chừng vài µm

Hình 1.3: Ảnh TEM của ống nano đơn vách (SWCNTs) 1.1.2 Cấu trúc ống nano carbon

Về bản chất, ống nano carbon là một hay nhiều tấm graphite cuộn tròn lại thành dạng các ống nano, có đường kính từ 1 nm (đối với ống đơn vách) đến 30 nm (với ống có nhiều vách), chiều dài khoảng từ 1 µm trở lên, và khoảng cách giữa các vách graphite từ 0,34 – 0,36 nm

Cấu trúc của ống nano được xác định bởi vector chiral Ch và góc chiral θ Vector chiral được cho bởi công thức sau:

Ch=na1+ma2 Trong đó, số nguyên n và m là các tham số của vector chiral, diễn tả số bước dọc

theo các liên kết chữ chi (zig-zag) của carbon trong mặt lục giác, a1và a2 là các vector đơn vị (hình 1.4)

Cấu trúc ống hình thành bằng cách cuộn tấm graphite dọc theo vector Ch, còn góc chiral θ sẽ xác định độ xoắn của ống

Hình 1.4: Các giá trị khác nhau của vector chiral và góc chiral trên tấm graphite

Tùy thuộc vào góc chiral θ mà các dạng khác nhau của CNTs được xác định:

- Nếu θ = 0o (n = 0 hoặc m = 0), ống “zig - zag”

 a = 2,49Å, là chiều dài một cạnh của graphite

Hình 1.5: Ống nano carbon (a) zig – zag; (b) chiral; (c) armchair

Ngoài ra, các tham số chiral cũng cho biết tính chất điện tử của ống nano carbon Các ống nano carbon có thể hoặc là kim loại, hoặc là bán dẫn phụ thuộc vào hai tham

số m và n

Một ống nano sẽ là kim loại khi tỷ số (m-m)/3 là số nguyên, còn lại tất cả đều là chất bán dẫn

Hình 1.6: Tính chất dẫn điện của ống nano carbon theo vector chiral

1.1.3 Các tính chất của ống nano carbon

 Tính chất điện tử

Các đặc tính điện học của ống nano carbon được chú ý nhiều nhất trong các nghiên cứu và ứng dụng của ống nano carbon Với kích thước cực kỳ nhỏ và tính đối xứng cao khiến CNTs có những hiệu ứng lượng tử đặc biệt cùng các đặc tính điện tử,

từ học và quang học khác thường Các tính toán lý thuyết ban đầu và thực nghiệm sau

đó cho thấy nhiều tính chất điện tử lạ thường trong CNTs, ví dụ như cấu trúc lượng tử trong hai loại ống nano carbon, tính chất kim loại và bán dẫn của ống nano đơn vách Ống nano carbon có thể hoặc có tính chất kim loại hoặc là chất bán dẫn phụ thuộc vào vector chiral và đường kính ống nano nhưng không phụ thuộc vào chiều dài ống Trong ống nano carbon đơn vách, nếu hệ số (m – n) chia hết cho 3 thì đó là kim loại (chiếm khoảng 1/3), có độ rộng vùng cấm là 0eV; còn lại là chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm ~ 0,5 eV Đối với ống nano carbon đa vách thì phức tạp hơn nhiều do từng ống bên trong sẽ có tính chất điện tử và độ dẫn điện khác nhau Nhưng theo nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm thì ống nano carbon đa vách sẽ có độ dẫn điện khá cao với một hiệu điện thế thấp Do đó, ống nano carbon đa vách được xem là vật liệu kim loại điển hình

Hầu hết kết quả thực nghiệm cho thấy, ống nano carbon có độ dẫn điện rất cao, một SWCNT có độ dẫn điện cao hơn các polymer dẫn, với suất điện trở là 10-4 Ω.cm [4] Còn mật độ điện tử của một ống nano carbon kim loại sẽ cao gấp 1.000 lần so với kim loại thông thường, khi đó, mật độ dòng điện tối đa khoảng 1013 A/m2

 Tính chất quang và quang điện

Các ống nano carbon đơn vách với cấu trúc vùng năng lượng rất phù hợp cho nhiều ứng dụng quang học và quang điện Phổ quang học của SWCNTs có vùng phổ

từ tử ngoại đến gần hồng ngoại Do có đặc tính phát xạ quang điện và quang dẫn nên

có thể ứng dụng trong các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của SWCNTs [4][5]

Mặc khác, các tính chất điện tử và quang học của ống nano carbon cũng liên quan chặt chẽ đến các ảnh hưởng cơ học, hóa học, nhiệt và từ trường

 Tính chất cơ học

Từ khi được khám phá, ống nano carbon đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và nghiên cứu do có độ bền và độ cứng rất cao mà lại có mật độ khối cùng tính biến dạng thấp Các tính toán lý thuyết và phép đo thực nghiệm đều cho thấy CNTs có

độ cứng tương tự hoặc hơn cả kim cương Cho đến thời điểm này, ống nano carbon là vật liệu có độ cứng, ứng suất Young và sức căng cơ học lớn nhất mà loài người tìm ra

Tính chất cơ học của ống nano carbon không phụ thuộc vào độ xoắn chiral nhưng phụ thuộc vào đường kính của ống Độ cứng lớn nhất của một ống nano carbon đơn vách có đường kính từ 1 đến 2 nm vào khoảng 1 TPa, còn ống nano carbon đa vách thì lớn hơn, vào khoảng 1,1 đến 1,3 TPa [4]

Bảng 1.1: Một số tính chất cơ học của hai loại ống than nano

Ứng suất Young (GPa) Độ cứng (Gpa) Tỷ trọng (g/cm 3 ) MWCNT 1.200 ~ 150 2,6

dự trữ năng lượng và điện tử

1.1.4 Các ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử

Các tính chất đặc biệt về cơ học, điện tử, quang học và nhiệt học của ống nano carbon được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, quang học và cơ học Ở đây chỉ đề cập đến các ứng dụng nổi bật nhất của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử

 Các cảm biến ống nano carbon

Do có đặc tính nhạy cảm với các tương tác hóa học và môi trường mà ống nano carbon được ứng dụng trong các linh kiện cảm biến với kích thước chỉ cỡ vài micromet

Độ trở kháng điện tử của một ống nano carbon đơn vách bán dẫn sẽ thay đổi đột ngột khi bị hấp thụ khí, điều này rất hữu ích trong các cảm biến hóa học Khi đó, các

sợi SWNT nằm giữa hai điện cực và sự thay đổi của điện trở sẽ tương ứng với tương tác giữa phân tử khí với ống nano carbon

 Đầu dò ống nano carbon

Hiệu suất của thiết bị kính hiển vi đầu dò phụ thuộc vào kích thước và hình dạng đầu tip Với kích thước nano, đường kính nhỏ và hệ số tỷ lệ cao khiến đầu dò CNT rất được chú ý trong nhiều ứng dụng quan trọng Đặc biệt đầu dò CNT rất bền về cơ học nên có thể sử dụng trong một thời gian dài

Hình 1.7: Ảnh SEM của một đầu dò CNT gắn trên thanh cantilever

Đầu dò CNT được dùng trong các đầu ghi đĩa chất lượng cao, đầu đọc ổ cứng, đầu

dò kính hiển vi lực hạt nhân (AFM), thiết bị vi khắc (lithography), đầu dò siêu nhạy

trong hóa học và sinh học,…

 Làm dây dẫn nano trong các linh kiện và mạch điện tử

Ta có thể tổng hợp ống nano carbon làm dây dẫn với độ dài cỡ một micromet với đường kính vài micromet, chúng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính ổn định rất cao Ta

có thể nhìn và thao tác bằng các kính hiển vi nguyên tử AFM, STM, đồng thời cũng có thể tạo ra các tiếp điểm với các điện cực kim loại khác nhau Ống nano carbon, đặc biệt là ống nano carbon đơn vách, được xem là vật liệu lý tưởng cho các linh kiện điện

tử cỡ nanomet

 Các linh kiện điện tử sử dụng ống nano carbon

- Làm transistor CNTFET dựa trên cơ sở cấu hình MOSFET: nhờ ở dạng hình ống các electron tự do trong ống có thể dẫn điện nhưng ít chịu sự tán xạ, người ta hay gọi cơ chế dẫn này là kiểu dẫn đường đạn đạo (ballistic conduction) Sự tán xạ electron

là nguyên nhân gây ra sự suy giảm dòng điện và làm sản sinh ra nhiệt trong vật liệu dẫn điện như ở trong chất bán dẫn hay kim loại Ống nano carbon có khả năng tải điện

hữu hiệu nhờ ít sinh ra nhiệt Hình 1.8 biểu thị sơ đồ của một CNTFET sử dụng ống

nano carbon có cực cổng điều khiển ở mặt sau

Hình 1.8: Sơ đồ CNTFET có cực cổng điều khiển ở phía sau

- Ta có thể chế tạo bộ nhớ với việc tạo các ống nano carbon song song, chiều dọc và chiều ngang vuông góc với nhau Với việc đặt các điện thế điều khiển xác định,

có thể tạo được các linh kiện chuyển mạch tại các chốt giao nhau Các chốt này có thể tạo nên các chuyển mạch ở trạng thái đóng hay mở

- Dùng để chế tạo các chuyển tiếp p-n và bộ nhớ

1.2 Transistor hiệu ứng trường (FET)

1.2.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản

Hoạt động của transistor trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, nghĩa là độ dẫn diện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển Dòng điện trong transistor trường do một loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống hoặc điện tử

Nguyên lý hoạt động cơ bản của transistor trường là dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn diện

Transistor trường có ba chân cực: cực Nguồn (S - source), cực Cửa (G - Gate), cực

Máng (D - Drain)

- Cực Nguồn (S): là cực mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng

điện nguồn Is

- Cực Máng (D): là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số dời khỏi kênh

- Cực Cửa (G): là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh

1.2.2 Phân loại

Transistor trường có hai loại chính là: [2]

- Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N hay gọi là transistor trường mối nối (Junction field effect transistor – JFET)

- Transistor có cửa cách điện (Insulated-gate filed transistor – IGFET) Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên còn gọi là metal-ocide-semiconductor transistor (MOSFET) Có 2 loại MOSFET:

 MOSFET kênh sẵn

 MOSFET kênh cảm ứng

1.2.3 Transistor trường loại cực cửa cách ly (IGFET)

Đây là loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện bằng một lớp cách điện mỏng Lớp cách điện thường dùng là chất oxit nên ta thường gọi tắt là

transistor trường loại MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)

 MOSFET kênh sẵn

a Cấu tạo

MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET

- DMOSFET) Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor mà khi chế tạo

người ta chế tạo sẵn kênh dẫn

Hình 1.9: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P [2]

b Nguyên lý hoạt động

Transistor loại MOSFET kênh sẵn có hai loại: kênh loại P và kênh loại N

Nguyên lý làm việc của hai loại transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau

Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên

Us=0 Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng Còn điện áp đặt trên cực Cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của MOSFET [2]

a MOSFET kênh sẵn loại P

b MOSFET kênh sẵn loại N

- Xét khả năng điều khiển của MOSFET kênh sẵn loại P (hình 1.10a)

Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực của UDS chính là đặc tuyến truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện

áp UGS, ta có hàm sau:

ID = f(UGS) khi UDS = const

Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS = UDS1 < 0 và giữ không đổi Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm Khi UGS = 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh ID tăng lên Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn

Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống, độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống Chế độ

làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn Mối quan hệ này được thể hiện ở hình 1.11a

- Xét họ đặc tuyến ra (hay quan hệ giữa dòng điện I D và điện áp U DS )

ID = f(UDS) khi UGS = const

Hình 1.11: Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P [2]

a) Họ đặc tuyến điều khiển I D =f(U GS ) khi U DS không đổi b) Họ đặc tuyến ra I D =f(U DS ) khi U GS không đổi

Hình 1.11b thể hiện họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P Đây là các đường

biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS ứng với từng giá trị của điện

áp UGS khác nhau

Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0V thì dòng điện qua kênh ID = 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số còn nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính theo định luật Ohm Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến

Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hòa (UDSb.h) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới một trị số gọi là dòng điện bão hòa IDb.h.Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, nên UDSb.h còn được gọi là điện áp

“thắt”

Nếu cho UDS>UDSb.h thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa

IDb.h Đồng thời tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng manh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị “thắt” lên

Độ chênh lệch của điện áp ∆UDS=UDS-UDSb.h được đặt lên đoạn kênh bị “thắt”

và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị “thắt” không thay đổi, do vậy dòng IDb.h giữ không đổi Ta có vùng dòng điện

ID bão hòa

Trường hợp nếu đặt UDS quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N ở phía cực máng, dòng điện ID tăng vọt Lúc này transistor chuyển sang vùng đánh thủng

Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả hai chế độ (chế độ nghèo và chế độ giàu hạt dẫn)

 MOSFET kênh cảm ứng

a Cấu tạo

Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement -Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET) Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn

Hình 1.12: Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng [2]

b Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc của loại kênh P và kênh N giống nhau chỉ khác nhau về cực tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực Trước tiên, nối cực nguồn S với đế và nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn

- Tạo kênh dẫn và khả năng điều khiển của transistor

Ví dụ: ta trình bày nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng loại P

Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện UGS<0, còn

UDS<0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện

Khi ta đặt một điện áp lên cực cửa âm hơn so với cực nguồn (UGS<0) đến một giá trị gọi là điện áp ngưỡng (ký hiệu là UGSth) thì một số lỗ trống được hút về tạo thành

một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn S với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành

Hình 1.13: Sự hình thành kênh dẫn của MOSFET loại P [2]

Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường, cực máng các lỗ trống sẽ di chuyển từ cực nguồn qua kênh về cực máng tạo nên dòng điện trong transistor ID Tiếp tục cho UGS càng âm hơn, nghĩa là UGS>UGSth, thì lỗ trống được hút về kênh càng nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh cũng tăng lên

- Họ đặc tuyến ra:

Hình 1.14: a – Sơ đồ nguyên lý của MOSFET kênh cảm ứng P [2]

b – Họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại P

Họ đặc tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện ID và điện áp UDS Trong sơ

đồ mắc cực nguồn chung thì ID là dòng điện ra và điện áp UDS là điện áp ra, ta có hàm biểu thì mối quan hệ này:

ID=f(UDS) khi UDS giữ không đổi Điên áp đặt lên cực cửa yêu cầu phải đủ lớn để kênh dẫn đã được hình thành Sau

đó, tat hay đổi điện áp UDS và theo dõi sự thay đổi của dòng ID theo điện áp UDS Ta có

sơ đồ mạch nguyên lý đấu nối MOSFET kênh P mô tả trong hình 1.14a

Xét đường cong đặc tuyến ra ứng với trị số UGS<0, ví dụ UGS4 như trong hình

1.14b, ta thấy: Nếu UDS=0, thì các lỗ trống không chuyển động về cực máng nên dòng

ID=0

1.3 Transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET)

1.3.1 Giới thiệu CNTFET

Sự ra đời của transistor năm 1947 đã phần nào giải quyết được vấn đề tiêu hao năng lượng trong hầu hết các thiết bị điện tử được thiết kế theo công nghệ bóng chân không [21] Transistor cũng là những viên gạch làm nên nhân của tất cả các bộ vi xử lý

mà chúng ta từng biết Số lượng transistor trong bộ vi xử lý càng lớn, tốc độ xử lý càng tăng

Năm 1961, hai kỹ sư điện tử người Mỹ là Jack Kilby và Robert Noyce, đã tạo ra chip silicon [22] Sáng chế này đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ điện tử theo

xu hướng “nhỏ” hóa mọi thứ, đồng thời đặt tiền đề cho sự phát triển của ngành máy tính hiện đại, tác động lớn đối với cuộc sống của con người trong hơn nửa thế kỷ qua Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các đế silic Những công ty lớn như đã dự tính giảm kích thước của vi mạch điện tử xuống còn khoảng 10nm Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước

nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron Ngoài

ra, tốc độ xử lý dữ liệu của máy tính ngày càng tăng nhưng vẫn chỉ có thể tiến tới một mức nhất định vì những giới hạn của silicon, trong đó có vấn đề tỏa nhiệt Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, con người có thể tạo được được vật liệu có thể thay thế silicon

Sự xuất hiện của ống nano carbon đã mở ra hy vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này Ống nano carbon đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn vào trong các mạch điện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử nhờ cấu trúc và các tính năng đặc biệt của mình

Cấu trúc transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn gọi tắt

là CNTFET (Carbon Nanotube Field-Effect Transistor) lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1998 [13] Đến nay sau hơn 10 năm tồn tại và phát triển CNTFET đã có những bước tiến đáng kể về cấu trúc, hiệu năng và là một trong những cấu trúc hứa hẹn sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong việc giảm kích thước của transistor trong tương lai gần

1.3.2 Cấu trúc của CNTFET

Hầu hết các cấu trúc CNTFET đều sử dụng: [13]

- Bán dẫn ống nano carbon đơn vách (SWCNT) làm kênh dẫn Hai đầu ống nano carbon sẽ tiếp xúc với cực nguồn (S-Source) và cực máng (D-Drain)

- Điện cực cổng (G-Gate) điều khiển tính chất dẫn của kênh dẫn SWCNT

 CNTFET cổng sau (back-gated CNTFET)

Linh kiện CNTFET cổng sau có cấu trúc tương đối đơn giản, bao gồm một ống nano carbon đơn vách hoạt động như kênh dẫn, ống nano này được đặt trên đỉnh của hai điện cực làm bằng kim loại quí (vàng hoặc platin), có chức năng như hai điện cực nguồn và máng Đế Silic được dùng như điện cực cổng, được ngăn cách với ống nano

và hai điện cực kim loại bằng một lớp SiO2 dày 100 – 200nm

Đặc điểm của CNTFET cổng sau: [3]

- Dòng điều khiển thấp

- Độ dẫn thấp (g=10-6S)

- Điện trở tiếp xúc lớn (> 1MΩ)

- Tần số hoạt động thấp

Cấu trúc CNTFET cổng sau là cấu trúc đầu tiên của CNTFET

Hình 1.15: Cấu trúc CNTFET cổng sau [3]

 CNTFET cổng trên (top-gated CNTFET)

Cấu trúc CNTFET cổng trước được chế tạo bằng cách gieo ống nano carbon đơn vách trên một chất nền đã được oxy hoá Cực nguồn và cực máng được chế tạo ở đầu

cuối bên trên ống nano Một màng mỏng chất điện môi cổng dày từ 15-20nm được đặt tại nhiệt độ 300oC qua quá trình lắng đọng bay hơi hoá học (CVD) Trên lớp điện môi tạo điện cực cổng

Đặc điểm của CNTFET cổng trên: [3]

- Dòng điều khiển cao hơn nhiều

- Độ dẫn (3.35µS trên một ống nano carbon)

- Điện trở tiếp xúc giảm

- Điện áp ngưỡng thấp hơn đáng kể so với cấu trúc cổng sau

Hình 1.16: Cấu trúc CNTFET cổng trên [3]

 CNTFET thẳng đứng (Vertical CNTFET)

Cấu trúc CNTFET thẳng đứng do Hoenlein đề nghị [13]

Trong cấu trúc này, mỗi ống nano carbon được tiếp xúc điện với cực nguồn bên trên, cực máng bên dưới và cực cổng bao quanh ống Mỗi giao điểm của cực nguồn và máng với một ống nano carbon đơn vách thẳng đứng tương ứng với một transistor Ống nano carbon làm kênh dẫn có đường kính 1nm, chiều dài 10nm Cực cổng đồng trục và lớp điện môi cực cồng dày 1nm

Hình 1.17: Cấu trúc CNTFET thẳng hang

Đặc điểm của CNTFET thẳng đứng: [13]

- CNT mọc thẳng đứng dễ dàng hơn nhiều so với việc phát triển và liên kết theo chiều ngang

- Các kết nối 3D có thể được sử dụng trong cấu hình theo chiều dọc

- Kích thước CNTFET rất nhỏ, tương đương đường kính ống nano carbon

- Cho phép mật độ đóng gói cao

- Tần số hoạt động cao tương đương mức THz

1.3.3 Nguyên lý hoạt động của CNTFET

Nguyên lý hoạt động cơ bản của CNTFET giống như của MOSFET, các điện từ được cung cấp bởi cực nguồn, cực máng sẽ thu điện tử Nói cách khác, dòng điện sẽ chảy từ cực máng tới cực nguồn Cực cổng sẽ điều khiển mật độ dòng điện trong kênh dẫn của transistor và transistor sẽ ở trạng thái ngắt nếu điện áp cổng không được cung cấp [3]

1.3.4 Một vài ứng dụng điển hình của CNTFET

- CNTFET được sử dụng trong các mạch logic

Hình 1.18: Đường đặc trưng vào ra của một cổng đảo dùng CNTFET [3]

Hình 1.19: Kết hợp số lẻ các cổng đảo và dẫn ra ngược lại ngõ vào

thu được mạch dao động vòng [3]

- CNTFET ứng dụng trong bộ nhớ

Hình 1.20: Một tế bào SRAM đơn giản được làm bằng CNTFET

nhờ nối chéo nhau với hai điện trở ngoài [3]

- Ứng dụng CNTFET để làm các biosensor

Chương 2 THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu, dụng cụ và thiết bị

- Tetra methyl ammonium hydroxide – TMAH ((CH3)4NOH)

- Hexa methyl disilazane (HMDS)

- Wafer Silic (Si)

- SWCNT (Ống nano carbon đơn vách)

- Cân điện tử

- Máy siêu âm (Branson 1510)

- Máy li tâm (Rotina 38)

- Bếp nung, tủ sấy

- Máy quay cơ (Spinner – Delta 6 RC TT)

- Máy nung (Delta 6 HP TT)

- Máy quang khắc (Mask Aligner – MJB4)

- Thiết bị phún xạ (Sputtering – Univex 350)

- Thiết bị bốc bay chùm điện tử (Electron beam)

Các thiết bị trên thuộc Phòng thí Nghiệm công nghệ nano – Đại Học Quốc Gia TP

Hồ Chí Minh

Hình 2.1: Các trang thiết bị thực nghiệm

a) Cân điện tử; b) Máy li tâm; c) Máy siêu âm; d) Bếp nung;

e) Máy quay cơ; f) Máy nung; g) Hot plate; h) Máy quang khắc;

i) Thiết bị phún xạ; j) Thiết bị bốc bay chùm điện tử

2.1.3 Các thiết bị kiểm tra, đo đạc phân tích mẫu

- Kính hiển vi Olympus GX51

- Hệ đo độ dày theo phương pháp cơ (Dektak 6M)

- Hệ đo đặc trưng I-V (Agilent 4155C)

- Phổ kế micro raman (LABRAM 300)

- Kính hiển vi nguyên tử lực (Electronica S.L)

Hình 2.2: Hệ đo độ dày theo phương pháp cơ

Hình 2.3: Hệ đo đặc trưng I – V

Hình 2.4: Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Hình 2.5: Phổ kế micro Raman

Các thiết bị trên thuộc Phòng thí Nghiệm công nghệ nano – Đại Học Quốc Gia

TP Hồ Chí Minh

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Oxy hoá nhiệt trong môi trường oxy khô (dry oxidation)

Việc chế tạo lớp ôxit cách điện SiO2 trên bề mặt đế Si có thể thực hiện bằng nhiều cách như: oxy hoá nhiệt, lắng đọng nhiệt phân, oxy hoá khí plasma trong đó phương pháp oxy hoá nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất

Oxy hoá nhiệt là quá trình oxy hoá xảy ra giữa nguyên tử oxy trong môi trường và nguyên tử Si có trên đế Si ở nhiệt độ cao, tạo nên lớp SiO2 Dải nhiệt độ oxy hoá thường nằm trong vùng 900oC-1500oC

Đối với quá trình oxy hoá nhiệt trong môi trường khô, người ta đưa oxy khô từ bình khí qua hệ thống đo có van để có thể điều chỉnh chính xác lưu lượng khí đưa vào

lò Trong môi trường oxy khô, đế Si tiếp xúc trực tiếp với oxy Lúc ban đầu quá trình oxy hoá tạo nên lớp SiO2 xảy ra nhanh, sau đó chậm dần Cơ chế oxy hoá xảy ra bằng cách nguyên tử oxy phản ứng với nguyên tử Si có ngay trên bề mặt đế Si, sau đó dần dần oxy phải khuếch tán qua lớp SiO2 đã hình thành trước đó vào biên phân cách Si-SiO2, lượng nguyên tử oxy tới bề mặt phụ thuộc vào dòng khí chảy trong ống thạch anh, nhiệt độ trong lò và áp suất riêng phần bao quanh tấm Si Độ thẩm thấu của Oxy qua lớp SiO2 là rất thấp và phân bố theo hàm mũ giảm dần từ mặt vào Sau khi hấp thụ trên bề mặt SiO2, oxy bị ion hoá tạo thành ion oxy và lỗ trống, chúng khuếch tán với tiếp giáp Si-SiO2 Tại biên phân cách Si-SiO2, phản ứng hoá học xảy ra như sau:

(2Oi2-+4h+)SiO2+SiSi=Si4+O22-(=SiO2) Trong quá trình trên, cứ một phân tử O2 kết hợp với một nguyên tử Si sẽ cho một phân tử SiO2 Oxy hoá nhiệt trong môi trường khô cho chất lượng lớp SiO2 tốt nhưng tốc độ oxy hoá rất chậm

Hình 2.6: Thiết bị oxy hoá nhiệt PEO 601 tại Phòng Thí Nghiệm CN Nano

2.2.2 Phương pháp phun phủ tạo lớp màng SWCNTs

Thiết bị bao gồm một súng phun được gắn với vòi phun áp suất thấp Dung dịch SWCNTs được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế

Hình 2.7: Thiết bị hỗ trợ việc phủ dung dịch SWCNT lên đế

a) bếp nung; b) súng phun

2.2.3 Quang khắc

 Khái niệm

Quang khắc là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo

Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thước nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chi tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử

(electron beam lithography)

Thiết bị quang khắc quang học của Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, ĐHQG

Tp HCM cho phép chế tạo các cấu trúc với kích thước nhỏ nhất là 1 micromet Có thể nói là kích thước này là quá lớn cho việc chế tạo một transistor cho ứng dụng thực tế, nhưng đáp ứng đủ điều kiện để chế tạo một linh kiện để nghiên cứu các tính chất cơ bản của linh kiện

 Kỹ thuật quang khắc

Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định Có nghĩa là quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình

Bề mặt của đế sau khi xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các

bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit Cảm quang

có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo Cảm quang thường

được phủ lên bề mặt đế bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating)

Cảm quang được phân làm 2 loại:

 Cảm quang dương: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

 Cảm quang âm: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa

 Nguyên lý Quang khắc:

Hình 2.8: Nguyên lý hệ quang khắc

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask) Mặt nạ là một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần

tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội

tụ

 Qui trình quang khắc

Hình 2.9: Qui trình quang khắc

Hình 2.9 thể hiện một vài công đoạn quan trọng theo tứ tự của các bước trong

công nghệ quang khắc Các bước chính bao gồm:

- Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, hoá chất, cảm quang, tủ sấy, đế bán dẫn và các dụng cụ thiết bị cần thiết

- Xử lý đế bán dẫn Si, sấy khô đế bán dẫn

- Phủ lớp cảm quang lên đế bán dẫn bằng phương pháp quay li tâm

- Sấy màng cảm quang trong lò

- Lắp đặt các đế bán dẫn vào máy quang khắc, chiếu sáng UV

- Hiện hình lớp cảm quang đã chiếu sáng trong các dung dịch thích hợp ứng với từng loại cảm quang dương, âm

- Ủ nhiệt cho lớp cảm quang

- Ăn mòn lớp vật liệu màng mỏng vừa định hình tạo các cấu hình cửa sổ bằng các dung dịch ăn mòn thích hợp

- Tẩy lớp cảm quang dư thừa sau quang khắc, không để lại một vết bẩn hữu cơ hay vô cơ nào trên vật liệu làm ảnh hưởng đến các công đoạn sau

- Xử lý sạch các phiến đã ăn mòn tạo cửa sổ

2.2.4 Phương pháp chế tạo màng kim loại làm điện cực

Có nhiều phương pháp hỗ trợ việc chế tạo màng kim loại làm điện cực, tuy nhiên trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến hai phương pháp chính: bốc bay chùm tia điện

tử (được sử dụng để tạo điện cực nguồn, điện cực máng), phún xạ (tạo điện cực cổng)

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý phún xạ catot