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NANO编辑优选：利用HfO2中钇层扩散和金属接触提升 N 型CNTFET性能

13 2月 2025 gabriels

本篇研究来自西安交通大学吴胜利和牛刚课题组。本文采用介电层优化策略，将氩气退火下金属钇层在HfO₂介电层中扩散和金属接触相结合，提升了碳纳米管晶体管的n型传输性能。通过进一步更换低功函数Cr作为源极和漏极，获得了具有理想的开关比（10⁵）、相对较低的SS（92mV/dec）和V_th（~0.38V）的n型CNTFET。并基于TOF-SIMs测试从微观层面分析了电子传导增强机制，这项工作提出了可控且易于大规模兼容的n型碳纳米管晶体管策略，在可靠的低功耗集成电路制造方面有巨大的应用前景。

文章介绍

Improvement of N-type carbon nanotube field effect transistor performance using the combination of yttrium diffusion layer in HfO2 dielectrics and metal contacts

Zhenfei Hou（侯振非）, Gang Niu（牛刚）, Jie Li（李洁） and Shengli Wu（吴胜利）

通讯作者：

吴胜利，西安交通大学电子与信息学部、电子科学与工程学院电子物理与器件教育部重点实验室
牛刚，西安交通大学电子与信息学部、电子科学与工程学院电子材料研究实验室、机械制造系统工程国家重点实验室

研究背景：

碳纳米管网络薄膜易于制备且可实现晶圆级制造得到广泛关注。基于碳纳米管薄膜的p型和n型晶体管对于获得低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）电路至关重要。然而，实现高质量、可扩展的n型CNTFET仍然是一个挑战。尽管已经研究了几种实现n型CNTFET的方法。包括接触优化以实现n型CNTFET，使用富电子有机物等作为电子供体和具有固定正电荷的氮化物（SiNx，AlN薄膜）的电荷转移等掺杂策略实现电子掺杂从而得到n型CNTFET。特别是栅极电介质在提高器件性能、满足高速低功耗应用方面起着至关重要的作用。采用HfO2电介质和延伸掺杂的顶栅结构是实现优异n型导电的有效方法。深入研究介电层和接触特性对于开发高性能具有延伸掺杂的顶栅 n 型 CNTFET 具有重要意义。

研究内容：

图1 器件结构及TOF-SIMS测试结果

为了验证沿介电层表面元素在垂直方向的微观变化，我们对退火前和退火后的Y3器件进行了 TOF-SIMs 分析，有力证明钇层在氩气退火过程中发生了扩散现象。测试结果如图1。退火后，揭示了钇层向 HfO₂和介电层亚表面之间的相互扩散。SIMs 剖面表明（i）Y 扩散到退火的 HfO₂中；（ii）Y 穿过晶体HfO₂（氩气退火）扩散到中间界面层，对HfO₂化学计量或晶体结构仅产生轻微影响。Y扩散到HfO₂中后产生氧空位，从而对沟道区域进行静电掺杂，导致电子导电性增强。

图2 Ti/Pd/Au接触器件结构电学测试结果

在图 2(a) 中，测试了Ti/Pd/Au接触的 CNTFET 的I_DS-V_GS曲线（V_DS=0.2 V）。随着V_GS向正电压方向增加，I_DS增加，表明 CNTFET 为 n 型器件。如图 2(e) 所示，经过氩气退火后，Y1 的 I_DS从 9.1×10^-11增加到1.8×10^-9A/μm，进一步证明了氩气退火的优势。引入钇层和退火优化工艺后，器件的 n 型性能得到显著改善，因此证明蒸镀钇层有助于n 型传导。分别测试了具有 Ti/Pd/Au接触的20个CNTFET、Y1、Y2 和 Y3的I_DS-V_GS曲线（V_DS=0.2 V）（图 2(a)）。并比较关键参数的分布，包括开态电流（I_on）、亚阈值摆幅 (SS) 和阈值电压 (V_TH)。I_on的增加，SS显著降低等都说明器件的N型传输性能显著提升。

图3 Cr/Au接触器件结构电学测试结果

图3(a) 给出了采用Cr/Au接触的CNTFET、Y1、Y2和Y3的I_DS-V_GS曲线。改变金属接触后，结果表明 n 型导电性得到进一步改善。我们还分别测试了 20 个采用 Cr/Au 接触的 CNTFET、Y1、Y2 和 Y3 的 I_DS-V_GS曲线（V_DS=0.2V），并比较了20个 n 型器件的关键参数分布，包括 I_on、SS和V_TH。高I_on（1.7×10^-8 A/μm）、低SS（~92 mV/dec）、低V_TH（~0.38 V）的变化归因于较低的功函数金属接触，即器件开启时较低的电子注入势垒。

图4 不同接触器件电学参数对比及能带图

图 4(a-c) 比较了20个Y2与Ti/Pd/Au接触和 Y1与Cr/Au接触的I_on(a)、SS(b) 和 V_TH(c) 分布。采用Cr/Au接触和 Y1 处理的器件优于采用 Ti/Pd/Au接触和Y2处理的器件，降低了工艺复杂性并确保了高 n 型导电性。图 4(d) 显示了导通状态下的能带示意图。Cr/Au接触 (Φ2) 的电子注入势垒小于Ti/Pd/Au接触 (Φ1) 的电子注入势垒。能带弯曲是由于优化的栅极电介质中的正固定电荷和采用Cr/Au接触的电子注入势垒高度降低，从而实现 n 型 CNTFET 性能的提升。

图5 将本工作与其他已报告的文献中V_TH和SS值对比结果

为了进一步全面评估我们器件的性能，将本工作的SS和V_TH与其他文献的结果（微米尺寸）进行了比较，如图5所示。这表明，本研究中的顶栅n型CNTFET在V_DS=1V时表现优异的的n型传输特性。本文通过电介质优化策略，结合钇层与HfO₂电介质氩气退火工艺和金属接触，获得了具有源/漏扩展结构的n型顶栅碳纳米管薄膜场效应晶体管（CNTFET）。增强n型导电性的机理是由于在氩气退火过程中钇向HfO₂电介质的垂直扩散。这种扩散导致能带弯曲，从而导致更多的正固定电荷，并降低低功函数源漏Cr电极与碳纳米管之间的电子注入势垒。这项优化技术对低成本、大规模、高性能n型CNTFET在集成电子器件中的应用具有巨大的前景。

作者介绍

吴胜利教授

西安交通大学

吴胜利，西安交通大学教授，博士生导师，主要从事平板显示技术与器件、纳米电子发射材料、薄膜制备及其应用、图像处理等方面的教学和科研工作。近年来，作为项目负责人，完成和承担国家863计划项目1项、国家自然科学基金项目1项、总装技术基础研究项目3项、省部级科研项目2项、横向科研合作项目5项。曾获1992年度机械电子工业部科技进步三等奖1项、1996年度陕西省科技进步一等奖1项、1996年获电子行业国家“八五”科技攻关先进个人。在国内外重要刊物及国际会议发表论文110余篇，获授权发明专利25项。

牛刚教授

西安交通大学

牛刚，西安交通大学教授，博士生导师，德国“洪堡学者”、陕西省特聘专家，铁性材料与集成器件研究所副所长。IEEE高级会员、中国电子学会高级会员。曾获德国国家研究基金会“DFG-Mercator学者”和中国电子学会优秀科技工作者等称号。长期从事“后摩尔”集成电路功能薄膜与器件的研究。主持多项由国家自然科学基金委、德国国家研究基金会和陕西省重点研发计划等资助的研究项目。已发表Nature Commun.、ACS Nano、IEEE EDL等期刊论文120余篇，H因子28。特邀报告20余次，多次担任EMRS等国际会议的科学委员会委员及分会主席。担任期刊Nano Exp.、Sci. Rep.编委和Microelectron. Eng.、Applied Sci.的客座编辑。

期刊介绍

Nanotechnology

2023年影响因子：2.9 Citescore：7.1
Nanotechnology（NANO）创刊于1990年，是第一本纳米科研和技术领域的专业期刊。NANO发表纳米技术研究发展前沿的高水平研究论文及纳米研究进展的综述，主要集中在纳米能源、生物和医学、电子和光子、图案和纳米加工、传感和驱动、材料合成和材料性能等领域。