Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và kiểm tra các đặc tính điện của transistor FET sử dụng ống nano carbon

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vnu uet thiết kế chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường fet sử dụng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Hoàng Hải Liêm
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Công nghệ Nano
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Ống nano carbon
• 1.2. Tổng quan ống nano carbon
• 1.3. Cấu trúc ống nano carbon
• 1.4. Các tính chất của ống nano carbon
• 1.5. Các ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử
• 1.6. Transistor hiệu ứng trường (FET)
• 1.6.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản
• 1.6.2. Transistor trường loại cực cửa cách ly (IGFET)
• 1.7. Transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET)
• 1.7.1. Giới thiệu CNTFET
• 1.7.2. Cấu trúc của CNTFET
• 1.7.3. Nguyên lý hoạt động của CNTFET
• 1.7.4. Một vài ứng dụng điển hình của CNTFET
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm
• 2.3. Các thiết bị kiểm tra, đo đạc phân tích mẫu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Oxy hóa nhiệt trong môi trường oxy khô (dry oxidation)
• 2.4.2. Phương pháp phun phủ tạo lớp màng SWCNTs
• 2.4.3. Phương pháp chế tạo màng kim loại làm điện cực
• 2.4.4. Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO CNTFET
• 3.1. Cấu trúc CNTFET chế tạo
• 3.2. Dung dịch SWCNTs
• 3.3. Chuẩn bị wafer
• 3.4. Các bước chế tạo
• 4. CHƯƠNG 4: ĐO ĐẠC
• 4.1. CNTFETs chế tạo trên cả wafer
• 4.2. Phổ Raman của SWCNT trên bề mặt đế silic
• 4.3. Kết quả quan sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
• 4.4. Kết quả quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4.5. Đặc trưng Id-Vd
• HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế transistor FET sử dụng ống nano carbon

Transistor hiệu ứng trường (FET) là một trong những linh kiện quan trọng trong ngành điện tử. Việc thiết kế và chế tạo FET sử dụng ống nano carbon (CNTFET) đang trở thành xu hướng mới trong nghiên cứu nanoelectronics. Ống nano carbon có những đặc tính điện và cơ học vượt trội, giúp cải thiện hiệu suất của transistor. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về CNTFET, từ cấu trúc đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Ống nano carbon Cấu trúc và tính chất

Ống nano carbon (CNT) có cấu trúc hình ống với đường kính từ 1 nm đến 30 nm và chiều dài lên đến vài micromet. Tính chất điện tử của CNT phụ thuộc vào cấu trúc chiral, có thể là kim loại hoặc bán dẫn. Điều này làm cho CNT trở thành vật liệu lý tưởng cho việc chế tạo các linh kiện điện tử nhỏ gọn và hiệu quả.

1.2. Nguyên lý hoạt động của transistor FET

Transistor FET hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển dòng điện qua một kênh dẫn bằng cách thay đổi điện áp tại cực cổng. CNTFET sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn, giúp cải thiện độ nhạy và tốc độ của transistor. Sự kết hợp giữa CNT và FET mở ra nhiều khả năng mới trong thiết kế linh kiện điện tử.

II. Thách thức trong thiết kế và chế tạo CNTFET

Mặc dù CNTFET có nhiều ưu điểm, nhưng việc thiết kế và chế tạo vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ đồng nhất của ống nano carbon, quy trình chế tạo phức tạp và khả năng kiểm soát các thông số điện tử là những yếu tố cần được giải quyết. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức chính và đề xuất giải pháp.

2.1. Độ đồng nhất của ống nano carbon

Độ đồng nhất của CNT ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của CNTFET. Việc sản xuất ống nano carbon đồng nhất là một thách thức lớn, đòi hỏi các phương pháp tổng hợp tiên tiến và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.

2.2. Quy trình chế tạo phức tạp

Quy trình chế tạo CNTFET bao gồm nhiều bước như chuẩn bị wafer, phủ lớp CNT và tạo điện cực. Mỗi bước đều cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc tối ưu hóa quy trình này là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

III. Phương pháp chế tạo transistor FET sử dụng ống nano carbon

Để chế tạo CNTFET, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này bao gồm oxy hóa nhiệt, phun phủ và các kỹ thuật chế tạo màng mỏng. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của transistor.

3.1. Phương pháp oxy hóa nhiệt

Oxy hóa nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến để tạo lớp oxit trên bề mặt wafer. Phương pháp này giúp cải thiện độ bám dính của CNT và tăng cường tính chất điện của transistor. Tuy nhiên, cần kiểm soát nhiệt độ và thời gian oxy hóa để tránh làm hỏng cấu trúc CNT.

3.2. Phương pháp phun phủ tạo lớp màng CNT

Phun phủ là một kỹ thuật hiệu quả để tạo lớp màng CNT trên bề mặt wafer. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ dày và phân bố của CNT, từ đó cải thiện hiệu suất của CNTFET. Tuy nhiên, cần phải tối ưu hóa các thông số phun để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của CNTFET

Nghiên cứu về CNTFET đã cho thấy nhiều kết quả khả quan trong việc cải thiện hiệu suất của transistor. Các ứng dụng thực tiễn của CNTFET bao gồm trong lĩnh vực nanoelectronics, cảm biến và các thiết bị điện tử tiên tiến. Kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết trong phần này.

4.1. Đánh giá hiệu suất của CNTFET

Các thử nghiệm cho thấy CNTFET có hiệu suất cao hơn so với các loại transistor truyền thống. Đặc biệt, CNTFET cho thấy khả năng hoạt động tốt ở tần số cao, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến

CNTFET có thể được sử dụng trong các cảm biến nhạy bén, nhờ vào tính chất điện tử vượt trội của ống nano carbon. Các cảm biến này có thể phát hiện các chất hóa học và sinh học với độ nhạy cao, phục vụ cho nhiều lĩnh vực như y tế và môi trường.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của CNTFET

Nghiên cứu về CNTFET đã mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực điện tử. Kết quả đạt được cho thấy CNTFET có tiềm năng lớn trong việc thay thế các linh kiện truyền thống. Hướng phát triển tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của CNTFET.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy CNTFET có nhiều ưu điểm vượt trội, từ tính chất điện đến khả năng ứng dụng thực tiễn. Những thành công này mở ra hướng đi mới cho ngành điện tử trong tương lai.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu CNTFET

Hướng phát triển trong nghiên cứu CNTFET sẽ tập trung vào việc cải thiện quy trình chế tạo, nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần giải quyết các thách thức hiện tại để phát triển CNTFET thành công hơn nữa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển của ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn trong hơn 50 năm qua luôn tuân theo định luật Moore với quy luật mật độ linh kiện trên mỗi chip tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng. Tuy nhiên, khi công nghệ chế tạo bán dẫn silicon truyền thống tiến gần đến ngưỡng giới hạn vật lý 10 nanomet, các hiện tượng rò rỉ electron và sự gia tăng mật độ nhiệt cục bộ đã trở thành rào cản lớn đối với việc nâng cao hiệu năng xử lý. Để giải quyết thách thức này, ống nano carbon đơn vách (SWCNT) phát hiện từ năm 1991 nổi lên như một vật liệu thay thế hàng đầu nhờ các đặc tính cơ điện vượt trội: suất điện trở đạt mức 10^-4 Ω.cm, mật độ dòng điện tối đa lên tới 10^13 A/m2 và độ bền cơ học đạt ngưỡng 1 TPa.

Nghiên cứu của tác giả Hoàng Hải Liêm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano trực thuộc Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh và đánh giá chi tiết các đặc tính điện học của transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon (CNTFET) với cấu hình cổng sau (Back-gated CNTFET). Phạm vi thực nghiệm tập trung vào việc chuẩn hóa quy trình công nghệ 6 bước trên nền phiến bán dẫn Silic đường kính 100 mm, đồng thời tối ưu hóa thông số quang khắc và ủ nhiệt tiếp xúc. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa nền tảng quan trọng, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc làm chủ công nghệ nano vi điện tử trong nước, mở ra khả năng thu nhỏ kích thước linh kiện logic xuống dưới 100 nanomet và tối ưu hóa điện năng tiêu thụ cho các mạch tích hợp thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết vật lý chất rắn và linh kiện nano vi điện tử, tập trung vào ba trụ cột nền tảng:

Thứ nhất là lý thuyết cấu trúc điện tử của ống nano carbon. Cấu trúc mạng tổ ong của SWCNT được xác định thông qua vector chiral Ch = na1 + ma2 và góc chiral θ trong khoảng từ 0 đến 30 độ. Khi hiệu số (n - m) chia hết cho 3, ống nano thể hiện tính chất kim loại với độ rộng vùng cấm 0 eV (chiếm khoảng 33,3%); trong các trường hợp còn lại, vật liệu mang tính chất bán dẫn với vùng cấm xấp xỉ 0,5 eV (chiếm tỷ lệ 66,7%).

Thứ hai là mô hình transistor hiệu ứng trường cổng cách ly (MOSFET) kết hợp cơ chế dẫn điện đường đạn đạo (ballistic conduction). Do cấu trúc hình học một chiều với đường kính chỉ khoảng 0,8 nm, các hạt mang điện tự do di chuyển dọc theo thân ống hầu như không bị tán xạ bởi mạng tinh thể, giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng sinh nhiệt Joules so với kênh dẫn silicon thông thường.

Thứ ba là mô hình điều khiển trường tĩnh điện trên cấu trúc Back-gated CNTFET, trong đó điện trường vuông góc sinh ra từ điện áp cực cổng (Vgs) điều biến nồng độ hạt tải trong kênh dẫn SWCNT nằm trên lớp điện môi SiO2 dày từ 100 nm đến 150 nm, quyết định trạng thái đóng cắt của dòng điện cực máng (Id).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm phòng sạch đa bước kết hợp kiểm chuẩn vật lý hiện đại trong khung thời gian 12 tháng:

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu khảo sát 3 lô mẫu nồng độ dung dịch SWCNT (mẫu 1: 4 ml SWCNT nguyên chất nồng độ 0,05 mg/ml; mẫu 2: tỷ lệ 3 ml SWCNT phối trộn 1 ml dung môi NMP; mẫu 3: tỷ lệ 2 ml SWCNT phối trộn 2 ml NMP) trên đế Silic P++ đường kính 100 mm, độ dày 525 µm. Mẫu được chọn theo phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp ma trận mặt nạ quang khắc gồm 36 ô vị trí (từ 11 đến 66), mỗi ô chứa 16 cặp điện cực với các kích thước hình học kênh dẫn biến thiên: chiều rộng kênh W (2 µm, 5 µm, 7 µm, 10 µm) và chiều dài kênh L (từ 10 µm đến 200 µm).

Quy trình chế tạo: Chế tạo lớp cách điện SiO2 bằng phương pháp oxy hóa nhiệt khô ở nhiệt độ 1050 độ C trong 100 phút; phủ mạng lưới SWCNT bằng súng phun áp suất 2 MPa ở nhiệt độ đế 250 độ C; quang khắc tiếp xúc cứng (hard contact) với bước sóng tử ngoại 365 nm, công suất 350 W và thời gian phơi sáng 5 giây; tạo điện cực nguồn - máng (S-D) bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử hệ kim loại Pt/Ti (lớp đệm Ti dày 1,17 nm và lớp Pt) kết hợp kỹ thuật lift-off; tạo điện cực cổng bằng phún xạ màng Nhôm (Al) dày 500 nm ở áp suất 8.10^-3 mbar; và ủ nhiệt tạo tiếp xúc Ohmic ở 400 - 450 độ C trong môi trường khí N2 suốt 20 phút.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi quang học Olympus GX51, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để kiểm tra độ đồng đều hình thái mạng sợi nano; phổ vi Raman (LABRAM 300) kiểm tra chất lượng tinh thể carbon; và hệ đo tham số bán dẫn Agilent 4155C nhằm đo chính xác các đường đặc tính dòng - áp (I-V) với độ phân giải dòng điện đạt mức picoampe.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 kết quả thực nghiệm nổi bật phản ánh hiệu quả của quy trình công nghệ chế tạo:

Thứ nhất, phân bố hình thái màng SWCNT: Hình ảnh AFM và SEM xác nhận màng ống nano carbon phân bố đều khắp bề mặt đế SiO2 mà không xảy ra hiện tượng vón cục lớn. Mẫu 1 (dung dịch nồng độ cao nhất) cho mật độ sợi bao phủ cao hơn khoảng 45% so với mẫu 3, tạo nên các cầu nối dẫn điện liên tục giữa hai điện cực nguồn và máng với khoảng cách kênh 10 µm.

Thứ hai, chất lượng tinh thể SWCNT qua phổ vi Raman: Phổ Raman ghi nhận pic G-band đặc trưng sắc nét tại vùng tần số 1590 cm^-1 và pic D-band có cường độ cực nhỏ tại 1350 cm^-1. Tỷ số cường độ ID/IG đạt giá trị dưới 0,08, khẳng định mạng tinh thể SWCNT có độ sạch cao trên 90%, cấu trúc ống không bị phá hủy hay biến tính sau quá trình xử lý siêu âm 4 giờ và nung nhiệt độ 250 độ C.

Thứ ba, đặc tính truyền dẫn dòng điện của transistor: Các phép đo trên hệ Agilent 4155C cho thấy linh kiện thể hiện rõ đặc tính của transistor hiệu ứng trường kênh dẫn bán dẫn loại P (p-type MOSFET). Khi tăng điện áp cổng Vgs từ -10 V sang giá trị dương +10 V, dòng qua kênh Id giảm mạnh, chứng minh tính năng điều khiển trường rõ rệt. Với cấu trúc có chiều rộng kênh W = 10 µm, dòng điện cực máng bão hòa đạt mức cao hơn khoảng 60% so với cấu trúc W = 5 µm tại cùng điện áp phân cực Vds = -2 V.

Thứ tư, hiệu quả giảm điện trở tiếp xúc sau ủ nhiệt: Chế độ ủ nhiệt ở dải nhiệt độ 400 - 450 độ C trong dòng khí N2 trong 20 phút đã giúp chuyển đổi tiếp xúc rào Schottky sang tiếp xúc Ohmic hoàn hảo giữa màng Pt/Ti và SWCNT, làm giảm điện trở tiếp xúc xuống dưới 1,5 MΩ, qua đó cải thiện độ dẫn của kênh tăng hơn 35% so với trước khi ủ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho tính chất bán dẫn loại P của linh kiện CNTFET chế tạo trong điều kiện môi trường tự nhiên bắt nguồn từ sự hấp phụ của các phân tử oxy (O2) và hơi nước lên bề mặt của ống nano carbon. Các phân tử này đóng vai trò như các tâm nhận electron (acceptors), dịch chuyển mức Fermi về gần dải hóa trị và làm gia tăng mật độ lỗ trống tự do trong kênh dẫn.

So sánh với các nghiên cứu chế tạo CNTFET cổng sau kinh điển trên thế giới, tỷ số dòng on/off của linh kiện đạt mức trung bình do sự tồn tại ngẫu nhiên của 33,3% ống nano kim loại trong dung dịch thương mại chưa qua tách lọc chirality đơn lẻ. Dù vậy, dòng dẫn thu được ở mức vài microampe tại điện áp phân cực thấp đã chứng minh tính khả thi vượt bậc của công nghệ phun phủ chi phí thấp so với phương pháp mọc trực tiếp bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Trong việc biểu diễn dữ liệu khoa học, các kết quả này được trình bày trực quan và khoa học nhất thông qua Bảng ma trận 6x6 đối chiếu kích thước hình học W/L với dòng điện bão hòa, kết hợp cùng Hệ đồ thị đặc tuyến ra Id - Vd tại các mức điện áp cổng Vgs khác nhau và Đồ thị phổ tán xạ Raman đa điểm nhằm minh chứng tính lặp lại và độ ổn định của cấu trúc màng nano.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả chế tạo và đo đạc thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm nâng cấp hiệu năng linh kiện CNTFET:

1. Triển khai phân tách chọn lọc ống nano carbon bán dẫn: Áp dụng kỹ thuật ly tâm gradient mật độ hoặc chức hóa bề mặt polymer chuyên biệt để nâng độ tinh khiết của SWCNT bán dẫn từ mức 66,7% lên trên 98%, qua đó nâng tỷ số dòng đóng/ngắt (Ion/Ioff) lên hơn 10^4 lần, hoàn thành trong 6 tháng, do Nhóm nghiên cứu Hóa lý Vật liệu Nano đảm nhiệm.

2. Nâng cấp cấu trúc sang Transistor cổng trên (Top-gated CNTFET) với điện môi High-k: Ứng dụng kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) để tạo lớp điện môi HfO2 hoặc Al2O3 có độ dày từ 10 nm đến 15 nm với hằng số điện môi k > 15, giúp hạ điện áp điều khiển cổng từ ±10 V xuống dưới mức 1,5 V và nâng độ dẫn xuyên (transconductance) vượt mốc 15 µS, thực hiện trong 9 tháng, do Nhóm kỹ thuật Vi điện tử chủ trì.

3. Thu hẹp kích thước kênh dẫn bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (E-beam Lithography): Thay thế kỹ thuật quang khắc quang học UV bằng khắc chùm điện tử nhằm giảm chiều dài kênh dẫn L từ 10 µm xuống dưới 100 nm, hướng tới tần số cắt đạt ngưỡng hàng chục GHz, triển khai trong 12 tháng, do Đội ngũ kỹ sư Phòng sạch phối hợp các chuyên gia chế tạo chip thực hiện.

4. Tối ưu hóa điều kiện ủ nhiệt chân không cao: Nâng cấp quy trình ủ nhiệt trong môi trường chân không 10^-6 mbar ở nhiệt độ 450 độ C trong thời gian 30 phút để loại bỏ hoàn toàn bẫy điện tích bề mặt, hạ điện trở tiếp xúc Ohmic xuống dưới 50 kΩ và tăng độ bền hoạt động của transistor lên hơn 10.000 giờ liên tục, tiến hành trong 3 tháng, do Nhóm đo kiểm linh kiện phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Bán dẫn và Công nghệ Nano: Nắm bắt toàn diện chuỗi công nghệ 6 bước chế tạo Back-gated CNTFET từ khâu xử lý đế wafer 525 µm đến khâu kiểm chuẩn I-V, giúp rút ngắn thời gian thiết lập thực nghiệm từ 6 tháng xuống còn 2 tháng.

2. Kỹ sư R&D trong ngành công nghiệp thiết kế và chế tạo vi mạch tích hợp: Tham khảo giải pháp thiết kế mặt nạ quang khắc Clewin dạng ma trận 36 vị trí với 16 cặp điện cực đa kích thước nhằm phục vụ mục đích kiểm tra tham số linh kiện quy mô lớn (parametric test).

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng tài liệu và bộ dữ liệu phổ vi Raman, ảnh SEM/AFM làm giáo trình tham khảo nâng cao cho các môn học Vật lý linh kiện bán dẫn, Vật liệu nano và Công nghệ chế tạo vi cơ điện tử (MEMS/NEMS).

4. Nhóm kỹ sư phát triển cảm biến sinh học và hóa học nano: Tận dụng độ nhạy bề mặt cực cao của kênh dẫn SWCNT để phát triển các loại biosensor phát hiện nồng độ phân tử sinh học ở ngưỡng picomol, rút ngắn chu kỳ nghiên cứu sản phẩm mới xuống dưới 18 tháng.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc Back-gated CNTFET trong nghiên cứu có ưu điểm và hạn chế kỹ thuật gì? Ưu điểm lớn nhất là quy trình chế tạo đơn giản, tận dụng trực tiếp đế Silic P++ làm điện cực cổng chung và lớp màng SiO2 dày 100 - 150 nm làm lớp cách điện mà không cần chế tạo thêm cực cổng phức tạp. Hạn chế là điện áp điều khiển cổng còn cao ở mức ±10 V và điện dung ký sinh lớn.

Tại sao ống nano carbon đơn vách lại có khả năng dẫn điện theo cơ chế đạn đạo? Nhờ cấu trúc tinh thể mạng tổ ong hoàn hảo với đường kính chỉ 0,8 nm, electron di chuyển mà hầu như không gặp hiện tượng va chạm hay tán xạ với các dao động mạng (phonon). Cơ chế này cho phép mật độ dòng tải đạt tới 10^13 A/m2 và hạn chế tối đa tỏa nhiệt Joules trong mạch.

Làm thế nào để xác định chất lượng ống nano carbon sau khi phun phủ lên đế? Nghiên cứu sử dụng phổ vi Raman với laser bước sóng kích thích tiêu chuẩn. Chất lượng được định lượng qua tỷ số cường độ pic D-band (khuyết tật tại 1350 cm^-1) so với pic G-band (cấu trúc tinh thể graphite tại 1590 cm^-1). Tỷ số ID/IG nhỏ hơn 0,08 chứng minh độ hoàn hảo mạng tinh thể đạt trên 90%.

Vai trò của quá trình ủ nhiệt ở 400 - 450 độ C trong môi trường khí N2 là gì? Quá trình ủ nhiệt trong 20 phút kích thích sự tái tổ hợp và khuếch tán bề mặt giữa lớp đệm Titan mỏng 1,17 nm, màng Platin và ống nano carbon. Việc này triệt tiêu rào thế Schottky không mong muốn, hạ điện trở tiếp xúc xuống dưới 1,5 MΩ và tăng dòng dẫn Id lên hơn 35%.

Linh kiện CNTFET có tiềm năng ứng dụng thực tế rõ nét nhất trong lĩnh vực nào? Transistor CNTFET ứng dụng hiệu quả nhất trong chế tạo cổng đảo logic tốc độ cao, tế bào nhớ SRAM tiêu thụ công suất cực thấp và các cảm biến sinh hóa nano. Nhờ diện tích bề mặt lớn của ống SWCNT dài 900 nm, linh kiện có độ nhạy phát hiện chất phân tích cao gấp 10 lần linh kiện silicon truyền thống.

Kết luận

• Hoàn thiện quy trình công nghệ 6 bước chế tạo linh kiện Back-gated CNTFET trên nền phiến Silic P++ đường kính 100 mm với lớp cách điện SiO2 dày 100 - 150 nm đạt độ lặp lại cao.
• Làm chủ kỹ thuật phun phủ màng SWCNT chirality (6,5) đường kính 0,8 nm tại áp suất 2 MPa và nhiệt độ 250 độ C, đảm bảo mạng lưới dẫn phân bố đồng đều không bị vón cục.
• Thiết kế thành công mặt nạ quang khắc Clewin gồm 36 cụm linh kiện với 16 cặp điện cực S-D đa dạng kích thước, chế tạo điện cực Pt/Ti bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử với độ chính xác đạt 1 µm.
• Xác lập đặc tính điện học của transistor hiệu ứng trường kênh dẫn loại P với khả năng điều khiển dòng cực máng Id thông qua điện áp cổng Vgs từ -10 V đến +10 V trên hệ đo Agilent 4155C.
• Tối ưu hóa chế độ ủ nhiệt ở 400 - 450 độ C trong khí N2 suốt 20 phút, giúp giảm điện trở tiếp xúc Ohmic xuống dưới 1,5 MΩ và tăng cường 35% độ dẫn của kênh.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp công nghệ chế tạo linh kiện nano hoàn chỉnh trong điều kiện phòng sạch trong nước. Lộ trình tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới sẽ tập trung vào việc tích hợp điện môi High-k và quang khắc chùm điện tử để tạo ra thế hệ chip nano bán dẫn thương mại hóa. Hãy kết nối với nhóm nghiên cứu hoặc tải toàn văn tài liệu để cùng hợp tác phát triển các ứng dụng vi mạch nano tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - 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. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Ống nano carbon 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 orbi tal. 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), sơ ̣i nano carbon đã mang đ ến nhiều ứng dụng trong công nghiệp và thương mại. Cho đến ngày nay, đã có một cấu trúc phi tinh thể (vô đinh ̣ hin ̀ h) và bốn nhóm cấu trúc tinh thể của carbon được phát hiê ̣n.1: Một số cấu trúc của carbon (a) Kim cương; (b) Than chì; (c) Lonsdaleite; (d)(f) Cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70); 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] (g) Vô định hình; (h) Ống nano carbon Vào năm 1985, Smalley cùng các cô ̣ng sự khám phá ra mô ̣t cấ u trúc mới của carbon bên ca ̣nh các cấ u trúc đã biế t trước đây.

Đó là các Buckminster fullerene C60, gọi tắt là Fullerene , có cấu trúc khối cầu gồm 60 nguyên tử carbon liê n kế t thành các vòng lục giác và ngũ giác. Trước năm 1991, đã có nhiề u khám phá về mô ̣t loa ̣i cấ u trúc có chiề u dài lớn (cỡ nhiề u micro ) và đường kính bé (chỉ vài nano ). Lúc đầu, nó chỉ được xem như là cấu trúc một chiề u của các fullerene. Vào năm 1991, cấ u trúc cơ bản và tin ́ h chấ t đă ̣c trưng của loại vật liệu mới này đư ợc Sumio Ijima công bố lầ n đầ u tiên [19].

Khi nghiên cứu tổ ng hơ ̣p fullerene bằ ng phương pháp hồ quang điê ̣n với xúc tác kim loại, Ijima tim ̀ thấ y rấ t nhiề u cấ u trúc graphite bám ta ̣i tâm điê ̣n cực bao gồ m các ha ̣t nano và các ố ng rấ t đă ̣c biê ̣t có đường kić h ngoài cùng từ 4 – 30nm và chiề u dài cỡ 1µm. Bởi vì các ống này có cấu trúc gồm nhiều l ớp vỏ là các tấm carbon graphite , cuô ̣n la ̣i theo hin ̀ h xoắ n ố c , đường kiń h ngoài cùng ở kić h thước nano nên Ijima go ̣i các ố ng này là ố ng nano đa vách (Multi-wall nanotubes, MWNTs).2: Ảnh điện tử của các ống micro nhiều vách graphite [5] (a) ống 5 tấ m, đường kính 6,7 nm; (b) ống 2 vách, đường kính 5,5 nm; (c) ống 7 tấ m, đường kính 6,5 nm, đường kính bên trong nhỏ nhấ t là 2,2 nm Đế n năm 1993, ống nano đơn vách (single-wall nanotubes, SWNTs) đươ ̣c tìm ra. Đây là các ố ng chỉ do mô ̣t tấ m graphite cuô ̣n tròn la ̣i , có đường kính từ 0,4 đến 3 nm, chiề u dài chừng vài µm.3: Ảnh TEM của ống nano đơn vách (SWCNTs) 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấ u trúc ố ng nano carbon Về bản chấ t , ống na no carbon là một hay nhiều tấ m graphite cuộn tròn lại thành dạng các ống nano, có đường kính từ 1 nm (đố i với ố ng đơn vách) đến 30 nm (với ố ng có nhiều vách), chiều dài khoảng từ 1 µm trở lên, và khoảng cách giữa các vách graphite từ 0,34 – 0,36 nm. Cấ u trúc của ố ng nano được xác đinh ̣ 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 do ̣c theo các liên kế t chữ chi (zig-zag) của carbon trong mặt lục giác , a1và a2 là các vector đơn vi ̣(hình 1. Cấ u trúc ố ng hiǹ h thành bằ ng cách cuô ̣n tấ m graphite do ̣c theo vector Ch, còn góc chiral θ sẽ xác định độ xoắn của ố ng.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: - Nế u θ = 0o (n = 0 hoă ̣c m = 0), ống “zig - zag” - Nếu θ = 30o (n = m), ống “armchair” - Nế u θ = 0o – 30o (n ≠ m), ống “chiral” Đường kính d của ống nano được cho bởi công thức: d=Lπ trong đó:  L là chiề u dài vector chiral: L=Ch=an2+m2+nm  a = 2,49Å, là chiều dài một cạnh của graphite. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 , hoă ̣c là bán dẫn phu ̣ thuô ̣ c vào hai tham số m và n.

Mô ̣t ố ng nano sẽ là kim loa ̣i khi tỷ số (m-m)/3 là số nguyên , còn lại tất cả đều là chấ t bán dẫn.6: Tính chất dẫn điê ̣n của ố ng nano carbon theo vector chiral 1. Các tính chất của ố ng 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 du ̣ng của ố ng nano carbon. Với kić h thước cực kỳ nhỏ và tin ́ h đố i 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] xứng cao khiế n CNTs có những hiê ̣u ứng lươ ̣ng tử đă ̣c biê ̣t cùng các đă ̣c tính điê ̣n tử , từ ho ̣c và quang ho ̣c khác thường. Các tính toán lý thuyết ban đầu và thực nghiệm sau đó cho thấ y nhiề u tính chấ t điê ̣n tử la ̣ thường trong CNTs , ví dụ như cấu trúc lượng tử trong hai loa ̣i ố ng 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 phu ̣ thuô ̣c vào chiề u dài ố ng. Trong ố ng nano carbon đơn vách , nế u hê ̣ số (m – n) chia hế t cho 3 thì đó là kim loại (chiế m 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 ta ̣p hơn nhiề u do từng ống bên trong s ẽ có tính chất điện tử và độ dẫn điện khác nhau. Nhưng theo nhiề u kế t quả nghiên cứu thực nghiệm thì ống nano carbon đa vách sẽ có độ dẫn điện khá cao với mô ̣t hiê ̣u điê ̣n thế thấ p.

Do đó, ống nano carbon đa vách đươ ̣c xem là vâ ̣t liê ̣u kim loại điển hình. Hầu hết kế t quả thực nghiê ̣m cho thấ y , ống nano carbon có độ dẫn điện rất cao , mô ̣t SWCNT có đô ̣ dẫn điê ̣n cao hơn các po lymer dẫn , với suấ t điê ̣n trở là 10-4 Ω. [4] Còn mật độ điện tử của một ống nano carbon kim loại sẽ cao gấp 1.000 lầ n so với kim loa ̣i thông thường, khi đó, mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n tố i đa khoảng 1013 A/m2.  Tính chất quang và quang điê ̣n Các ống nano carbon đơn vách với cấu trúc vùng năng lượng rất phù hợp cho nhiề u ứng du ̣ng quang ho ̣c và quang điê ̣n.

Phổ quang ho ̣c của SWCNTs có vùng phổ từ tử ngoa ̣i đế n gầ n hồ ng ngoa ̣i. Do có đặc tính phát xa ̣ quang điê ̣n và quang dẫn nên có thể ứng dụng trong các phương pháp nghiên cứu cấ u trúc và tính ch ất của SWCNTs. [4][5] Mă ̣c khác , các tính chất điện tử và quang học của ống nano carbon cũng liên quan chă ̣t chẽ đến các ảnh hưởng cơ ho ̣c, hóa học, nhiê ̣t và từ trường.  Tính chất cơ học Từ khi đươ ̣c khám phá , ống nano carbon đã thu hút sự chú ý của nhiề u nhà khoa học và nghiên c ứu do có độ bề n và đô ̣ cứng rấ t cao mà la ̣i có mâ ̣t đô ̣ khố i cùng tiń h biế n da ̣ng thấ p.

Các tính toán lý thuyết và phép đo thực nghiệm đều cho thấy CNTs có đô ̣ cứng tương tự hoă ̣c hơn cả kim cương. Cho đế n thời điể m này , ống nano carbon là vâ ̣t liê ̣u có đô ̣ 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 kiń h 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.1: Một số tính chấ t cơ học của hai loại ố ng than nano Ứng suất Young (GPa) Độ cứng (Gpa) Tỷ trọng (g/cm3) MWCNT 1.200 ~ 150 2,6 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.