Luận văn Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon

Nội dung text: Luận văn Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon

1. Đ ẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HẢI LIÊN THI ẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON 1
2. 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 2
3. - 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. 3
4. 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 4
5. 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” - Nếu θ = 30o (n = m), ống “armchair” - Nếu θ = 0o – 30o (n ≠ m), ống “chiral” Đường kính d của ống nano được cho bởi công thức: d=Lπ trong đó: . L là chiều dài vector chiral: L=Ch=an2+m2+nm . 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. 5
6. 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. 6
7. 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/cm3) MWCNT 1.200 ~ 150 2,6 SWCNT 1.000 75 1,3 Tính chất từ và điện từ trường Giống như vật liệu graphite, ống nano carbon có mật độ điện tử phát xạ cao và ổn định, hiện đang là một nguồn phát xạ trường được chú ý trong nhiều ứng dụng điện tử. Tính chất hóa học Ống nano carbon có độ nhạy cao đối với các tương tác hóa học và môi trường, được ứng dụng trong sinh học và hóa học. Những tính chất hóa học được chú ý như mạch hở, phản ứng tráng kim, chất độn, chất gia cường, chất hấp phụ, vận chuyển hạt mang điện, chất phụ gia được ứng dụng nhiều trong các cảm biến, thiết bị lọc, đầu dò, dự trữ năng lượng và điện tử. Tính chất nhiệt học Than chì và kim cương là vật liệu có khả năng giữ nhiệt và dẫn nhiệt tuyệt vời. Ống nano carbon cũng có tính chất nhiệt học tương tự khi ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ cao nhưng khi ở nhiệt độ thấp thì xảy ra sự lượng tử hóa của phonon, khiến tính chất nhiệt học của CNTs rất đặc biệt. Độ dẫn nhiệt của ống nano đa vách khoảng từ 1.800 đến 6.000 W/m.K, và hơn 3.000 W/m.K đối với ống nano đơn vách. Còn độ bền nhiệt của các ống nano carbon lên tới 2.800oC ở chân không và khoảng 750oC trong không khí. [4] 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 7
8. 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) 8
9. 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 9
10. 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, 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 ID và điện áp UDS) 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 ID=f(UGS) khi UDS không đổi b) Họ đặc tuyến ra ID=f(UDS) khi UGS 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. 10
11. 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 11
12. 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 12
13. 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 13
14. 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 14
15. 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 2.1.1. Vật liệu - Dichloroethane (C2H4Cl2) - Acetone ((CH3)2CO) - Isopropanol - Nước DI - Dung dịch piranha: Pha dung dịch H202 và dung dịch H2SO4 (97%) theo tỉ lệ 1:3 H202 1 : 3 H2SO4 - BHF ( buffered HF, 1:7) - Khí Nitrogen - Bia Platin (Pt) 99,99%, Titan (Ti) 99,99%, Nhôm (Al) 99,99% - Photoresist 907/17 - N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) - Tetra methyl ammonium hydroxide – TMAH ((CH3)4NOH) - Hexa methyl disilazane (HMDS) - Wafer Silic (Si) - SWCNT (Ống nano carbon đơn vách) . Đường kính ống: 0.8nm . Chiều dài: 900nm . Chirality (6,5) . Lượng carbon > 90% . Lượng SWCNT: 80% 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm 15
16. - 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. a) b) c) d) e) f) g) h ) i) j) 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 16
17. 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 17
18. 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 18
19. 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). Phương pháp phún xạ (sputtering) Phương pháp phún xạ là một trong những phương pháp lắng đọng quan trọng theo nguyên lí vật lý. Nó có một số dạng sau: - Phương pháp phún xạ catot Trong phương pháp này, cấu trúc buồng phún xạ gồm hai điện cực nằm đối diện nhau. Bề mặt catot được phủ bằng vật liệu tạo màng. Cực anot là vật liệu cần được phủ màng lên. Buồng phun chứa khí trơ, thường là argon (Ar) với áp suất thấp. Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý phún xạ catot 19
20. Hình 2.10 mô tả nguyên lý phún xạ catot, ở đó catot là điện cực nhôm được nối với thế âm, còn anot là đế phiến bán dẫn được nối với đất. Với điện trường cao khí Ar được ion hoá thành các ion dương Ar+ bắn phá vào catot làm bật ra các nguyên tử Al, các nguyên tử này có thể ở dạng ion và cả ở dạng trung hoà điện tích, chúng còn được gọi là nguyên tử phún xạ. Chúng được gia tốc về phía anot có thế hiệu dương hơn và tạo ra một màng mỏng Al phủ lên bề mặt phiến bán dẫn Si. - Phương pháp phún xạ bằng dòng điện một chiều Nguyên lý cấu tạo của thiết bị như hình 2.11, các phiến bán dẫn được đặt lên cực anot có thế hiệu là 0V (nối với đất), cực kia nối với cực âm. Khí Ar ở trạng thái plasma bao gồm các ion dương Ar+ bắn phá catot chứa vật liệu cần phún xạ. Ngoài các vật liệu bia có cả các điện tử thứ cấp, các điện tử thứ cấp này lại được gia tốc về phía anot, va chạm tiếp với các khí Ar và ion hoá tiếp thành các ion Ar+. Các ion Ar+ được gia tốc về phía catot làm bật ra các phần tử bia bay về phía anot tạo nên một màng mỏng trên bề mặt đế bán dẫn. Các quá trình này cứ tiếp diễn. Gần catot có một vùng không gian gọi là vùng tối catot. Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý phún xạ bằng dòng điện một chiều - Phương pháp phún xạ xoay chiều cao tần RF Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý phún xạ xoay chiều cao tần RF Nguyên lý phương pháp phún xạ RF được thể hiện như hình 2.12. Các phiến bán dẫn được đặt trên một tấm điện cực nối đất, cực kia là bia mang vật liệu cần bốc bay phún xạ, cực này được nối với nguồn phát tín hiệu cao tần. Tần số của máy phát cao tần thường dùng là 13.56MHz. Vì các ion có khối lượng lớn hơn nhiều so với điện tử nên chúng có quán tính lớn, vì thế chúng không thể phản ứng kịp với tần số RF, chúng chỉ bị gia tốc bởi điện thế một chiều hình thành giữa hai điện cực bia và anot. Kết quả là các ion dương sẽ bắn phá bia chọn lọc hơn, không còn các hạt điện tử bắn phá gây nên các điện tử thứ cấp và một số hiệu ứng khác. Quá trình phún xạ này xảy ra tạo lên trên bề mặt một lớp màng thích hợp. Theo tính toán, tần số RF thích hợp là 13.56MHz. Phương pháp bốc bay bằng chùm tia điện tử Phương pháp bốc bay bằng chùm tia điện tử là một phương pháp quan trọng dùng để chế tạo các màng kim loại làm điện cực. Phương pháp này có thể thực hiện được việc bốc bay các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao tới trên 3000oC. Thông thường người ta dùng thuyền hay nồi có hình dạng nón cụt đặt trong một đế vỏ bằng đồng, trong nồi để các kim loại cần bốc bay. Đế hay khối đồng có thế hiệu là 0V. Bên trong lòng khối đế bằng đồng có một hệ thống làm lạnh bằng nước lưu chuyển. Bộ phận catot (súng điện tử) phát ra chùm điện tử, chúng được tăng tốc bởi một hệ thống điện trường mà một cực là đế đồng có nồi chứa kim loại cần bốc bay, 20
21. cực kia nối với thế âm cỡ từ -8000V đến -10000V. Người ta còn đặt một từ trường (gọi là từ trường uốn cong) để làm lệch chùm tia điện tử đi mộc góc 270o sao cho chùm tia điện tử hội tụ vào vật liệu cần bốc bay, ở đó có thế hiệu dương lớn hơn, chùm tia điện tử truyền năng lượng cao làm nóng chảy vật liệu bốc thành pha hơi. Vật liệu cần bốc sẽ được bay lên và lắng đọng lên bề mặt phiến bán dẫn. Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý bốc bay bằng chùm tia điện tử 2.2.5. Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon Từ khi ra đời, ống nano carbon đã được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và số lượng CNTs. Trong rất nhiều các phương pháp tổng hợp CNTs, có ba phương pháp chính là phóng điện hồ quang (arc discharge, AD), bốc bay bằng laser (laser ablation) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical vapour deposition, CVD). Trong phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser, nguồn carbon được tạo ra từ sự bốc bay vật liệu carbon rắn. Còn phương pháp CVD thì các khí hydrocarbon được phân ly thành hơi carbon. Quá trình mọc CNTs bằng xúc tác kim loại Cho đến thời điểm này, cơ chế mọc (growth) ống nano carbon với chất xúc tác kim loại vẫn chưa rõ ràng, hầu hết vẫn còn là giả thuyết. Cơ chế mọc CNTs vẫn đang là một vấn đề đối với quá trình điều khiển việc tổng hợp ống nano carbon. Nhiều mô hình mọc CNTs được đưa ra dựa trên nền tảng sự nhiệt phân của các hydrocarbon trên bề mặt kim loại. Trong phương pháp phủ hơi hóa học thì cần có sự tham gia của lớp chất xúc tác kim loại, nhưng trong phóng điện hồ quang và phân ly bằng laser thì có thể không cần do CNTs được hình thành trực tiếp ngay trong pha khí plasma carbon. Mô hình mọc ống nano carbon từ các hạt xúc tác kim loại (Fe, Co, Ni, ) như sau: Hình 2.14: Mô hình mọc ống nano carbon với xúc tác là hạt kim loại Tùy thuộc mối tương tác giữa hạt xúc tác kim loại và đế xúc tác mà quá trình tổng hợp CNTs có thể từ phía dưới hình thành dần lên trên (base-growth) hoặc hình thành từ đỉnh xuống (tip-growth) hoặc cả về hai phía của hạt xúc tác. Cơ chế mọc của ống nano carbon có thể được diễn tả theo bốn bước như sau: - Bước đầu tiên, khí hydrocarbon phân ly trên bề mặt kim loại thành carbon và hydro. - Bước thứ hai, bao gồm sự khuếch tán các nguyên tử carbon vào bề mặt kim loại và lắng đọng dần bao quanh bề mặt hạt kim loại. - Bước thứ ba, sau khi bao toàn bộ bề mặt hạt kim loại, trên đỉnh hạt xúc tác hình thành mầm nhú của ống nano carbon. - Cuối cùng, ống nano carbon mọc dần lên trên nền hạt kim loại xúc tác. 21
22. Quá trình mọc ống nano carbon diễn ra rất nhanh. Hầu hết quá trình mọc diễn ra ngay trong thời điểm đầu tiên. Tốc độ mọc lên tới 60 µm/phút. Tùy thuộc vào kích thước hạt nano kim loại, mà hình dạng và đường kính ống nano carbon được tổng hợp trên nền xúc tác. Ngoài ra, chất lượng và hình dạng của CNTs cũng phụ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp. Thông thường, nhiệt độ tổng hợp từ 550 – 750oC cho ống nano đa vách và từ 850 – 1.000oC cho ống nano đơn vách. Chiều dài ống nano phụ thuộc vào nguồn carbon (khí hydrocarbon) cung cấp cho quá trình tổng hợp. Và không phải hạt xúc tác kim loại nào cũng tham gia vào sự hình thành ống nano carbon. Hình 2.15: Sơ đồ mô hình cơ chế mọc ống than nano với hạt xúc tác kim loại Phóng điện hồ quang Ban đầu, phóng điện hồ quang được sử dụng nhằm nghiên cứu các fullerene, và đó cũng là kỹ thuật đầu tiên phát hiện sự hình thành các ống nano carbon. Cơ sở của phương pháp phóng điện hồ quang là sự làm lạnh khí plasma carbon được hình thành bằng sự phóng điện giữa hai điện cực than chì tinh khiết. Các thanh điện cực graphite được đặt trong buồng khí trơ như He, Ar tại áp suất từ 50 đến 900 mbar. Một dòng điện DC có cường độ từ 50 – 200 Ampe và hiệu điện thế ~ 20 Volt được đặt vào hai điện cực. Sự phóng điện khí xảy ra với nhiệt độ đạt đến 3.000oC sẽ bốc bay thanh điện cực than chì. Do đó, thanh điện cực carbon bị hóa hơi nên thanh graphite phải được đẩy xuống liên tục sao cho khoảng cách giữa hai điện cực không đổi. Quá trình tổng hợp nano carbon xảy ra bằng cách làm lạnh hơi plasma carbon. Kết quả của phương pháp này sẽ cho một lượng lớn các ống nano đa vách nếu các điện cực sử dụng là than chì tinh khiết. Còn để tăng cường khả năng hình thành ống nano đơn vách thì một ít hạt xúc tác kim loại như Co, Ni và Fe được cho thêm vào cực dương (anode). Tuy nhiên, phương pháp hồ quang sẽ tổng hợp ra một hỗn hợp gồm ống nano carbon, các lớp graphite, các fullerene, bụi than và một số các hạt xúc tác kim loại tại điện cực than chì. Do tỷ lệ tạp chất khá lớn nên phương pháp này đòi hỏi quá trình làm sạch ống nano carbon phức tạp và mất nhiều thời gian. Hình 2.16: Mô hình phương pháp phóng điện hồ quang Bốc bay bằng laser Một phương pháp khác nhằm tạo ống nano carbon có chất lượng cao là phương pháp bốc bay bằng laser (laser ablation). Trong phương pháp này, một tia laser cường độ cao được dùng để bốc hơi bia carbon đặt trong buồng nung có nhiệt độ khoảng 1,200oC, và CNTs được hình thành trong pha khí thông qua sự liên kết cấu trúc giữa các nguyên tử carbon. Trong suốt quá trình bốc bay bằng laser, một luồng khí trơ (He 22
23. hoặc Ar) được thổi vào buồng nhằm vận chuyển các ống nano đến ngưng tụ tại bộ phận thu hồi được làm lạnh. Về cơ bản, tia laser được sử dụng để bốc hơi bia graphite trong buồng. Như một quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp, các nguyên tử carbon nhanh chóng liên kết thành các nhóm cấu trúc carbon, trong đó có nano carbon. Một luồng khí trơ vận chuyển các ống nano carbon đến thiết bị thu hồi. Ống nano carbon được hình thành bằng phương pháp laser với bia carbon chủ yếu là các ống nano đa vách, có độ dài tương đối ngắn (~ 300 nm), đường kính trong cùng từ 1,5 đến 3,5 nm và tổng số vách là từ 4 đến 24 vách. Ống nano carbon đơn vách chỉ có thể tổng hợp được nếu bia carbon có chứa vài phần trăm nickel và cobalt (~ 5%). Sự bốc bay bằng laser cũng tương tự như phóng điện hồ quang nhưng ở nhiệt độ cao hơn nhiều lần nhằm chuyển trạng thái carbon rắn thành pha hơi. Phương pháp được coi là một trong những phương pháp tạo ống nano carbon có chất lượng cao, đồng đều nhưng số lượng CNTs rất thấp. Hình 2.17: Mô hình thiết bị phân ly bằng laser của bia carbon Lắng đọng hơi hóa học Hơn 25 năm trước đây, quá trình tổng hợp bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD) với xúc tác được dùng để tổng hợp các sợi carbon. Trong tổng hợp ống than nano, nó bao gồm một dòng khí hydrocarbon chạy dọc theo một buồng nung nhiệt điện trở, và bên trong buồng có thuyền chứa vật liệu xúc tác. Nguồn khí carbon thường được sử dụng là một loại hydrocarbon (CnHm), như methane (CH4), ethylene (C2H2). Chất xúc tác thông thường là các hạt kim loại Co, Ni, Fe và các hợp kim của nó được phân tán trên đế silicon, nhôm hoặc zeolite. Còn nhiệt độ phản ứng từ 600oC đến 1.200oC. Quá trình này gồm hai bước chính: i. Chuẩn bị lớp xúc tác kim loại: thường lớp xúc tác kim loại là một màng mỏng được phủ bằng phún xạ DC có bề dày khoảng vài nm. ii. Quá trình tương tác giữa carbon và chất xúc tác, tổng hợp ống nano carbon với nguồn khí carbon ở nhiệt độ cao. Hình 2.18: Mô hình phương pháp lắng đọng hơi hóa học với xúc tác Trong quá trình phản ứng hóa học, các liên kết hóa học trong khí hydrocarbon bị gãy bởi nhiệt độ cao và hoạt hóa bởi xúc tác, hình thành các nguyên tử carbon hoạt tính. Các nguyên tử carbon này lắng đọng dần trên bề mặc xúc tác và hình thành cấu trúc và hình dáng các vách ống nano. Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ, dòng khí) mà ống nano carbon có thể tổng hợp trên các hạt xúc tác kim loại. 23
24. Các tham số ảnh hưởng quá trình tổng hợp ống than nano bằng phương pháp lắng động hơi hóa học là: nguồn carbon, tốc độ dòng khí, tỷ lệ giữa các khí, chất xúc tác, vật liệu hỗ trợ và nhiệt độ tổng hợp. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như nhiệt độ sinh ra thấp, có thể điều khiển quá trình mọc và khả năng ứng dụng trong quy mô sản xuất công nghiệp. Khuyết điểm duy nhất có thể kể là ống nano carbon có tính chất cơ học yếu hơn so với CNTs được tổng hợp bằng phóng điện hồ quang hoặc bốc bay laser. 24
25. Chương 3 CHẾ TẠO CNTFET 3.1. Cấu trúc CNTFET chế tạo CNTFET được chế tạo theo dạng cổng sau (back-gated CNTFET). Hình 3.1: Cấu trúc Back-Gated CNTFET thực nghiệm chế tạo 3.2. Chuẩn bị 3.2.1. Mặt nạ (mask) Mặt nạ được thiết kế bằng chương trình Clewin để sử dụng trong quá trình quang khắc gồm 6x6 vị trí được ký hiệu từ 11 đến 66 như hình 3.2a. Hình 3.2: Cấu trúc mặt nạ a) Cấu trúc mặt nạ; b) Cấu trúc điện cực S - D Tại mỗi vị trí là 16 cặp điện cực được thiết kế với chiều rộng và chiều dài thay đổi. Việc thiết kế nhằm mục đích tạo điều kiện khảo sát sự thay đổi các đặc tính điện của các CNTFET tạo thành theo khoảng cách từ cực nguồn đến cực máng và chiều rộng của cực máng, nguồn. Chi tiết thiết kế bằng phần mềm Clewin tham khảo tại Phụ lục 2. Bảng 2.1: Chiều rộng ứng với từng vị trí trên mặt nạ (đơn vị: µm) 11 12 13 14 15 16 (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) (W5) 21 22 23 24 25 26 (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) 31 32 33 34 35 36 (W7) (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) 41 42 43 44 45 46 (W5) (W7) (W7) (W10) (W5) (W7) 51 52 53 54 55 56 (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) (W5) 61 62 63 64 65 66 (W10) (W2) (W5) (W7) (W10) (W2) Bảng 2.2: Chiều rộng, chiều dài, số lượng thanh ứng với vị trí 11 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 W 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 L 10 100 10 10 10 10 10 10 20 50 20 50 20 50 200 50 25
26. 0 0 0 0 0 0 N 5 5 20 20 35 35 50 50 5 5 20 20 35 35 50 50 3.2.2. Dung dịch chứa ống carbon đơn lớp (SWCNTs) Chuẩn bị dung dịch: - Pha SWCNTs vào dung dịch NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) theo tỷ lệ: SWCNTs 2.5 mg : 50 ml NMP - Siêu âm 4 giờ, li tâm 10000 vòng/phút (10 phút), lọc thu được dung dịch. (thực hiện 3 lần). - Dung dịch sau khi lọc được pha loãng bằng NMP với các nồng độ khác nhau. 3.2.3. Chuẩn bị đế silicon ( Si wafer) Trong đề tài này, Si wafer với các thông số dưới đây được sử dụng: - Đế Silic loại P++, đánh bóng một mặt (Single side polishing) - Chiều dày: 525µm - Điện trở xuất: 0.011-0.025 ohm.cm - Đường kính: 100mm - Nhà sản xuất: Silicon valley – USA 3.3. Các bước chế tạo Bước 1: Tạo lớp SiO2 trên bề mặt phiến Si Lớp SiO2 có thể được tạo trên bề mặt Si bằng nhiều cách. Ở đây sử dụng phương pháp Oxy hoá nhiệt trong môi trường khô (dry oxidation). Oxy hoá nhiệt là quá trình oxy hoá xảy ra giữa nguyên tử oxy có trong môi trường và nguyên tử Si có trên phiến đế Si ở nhiệt độ cao, tạo nên lớp SiO2. Dải nhiệt độ oxy hoá thường nằm trong vùng từ 900oC-1500oC.  Thực hiện: - Làm sạch wafer: . Dicloroethane (10 phút) . Siêu âm trong Acetone (10 phút) . Isopropanol (10 phút) . Nước DI (30 phút) . Làm khô bằng khí nitrogen . Dung dịch piranha (30 phút) . Nước DI (3 phút) . BHF (6:1) (30 giây) . Nước DI (1 phút) . Làm khô bằng khí nitrogen Sau đó cho nhanh vào lò oxidation. - Oxy hoá khô (dry oxidation) . Sử dụng khí O2 26
27. o . Nhiệt độ quá trình: 1050 C, trong 100 phút, ủ trong N2 30 phút Kiểm tra độ dày và chiết suất của lớp SiO2 bằng thiết bị Ellipsometer.  Mục đích: Tạo lớp SiO2 có độ dày cỡ 100nm đến 150nm, dùng làm lớp cách điện giữa đế mang silicon và SWCNTs. Hình 3.3: Đế Si được oxy hoá nhiệt tạo lớp SiO2 Bước 2: Tẩy lớp SiO2 ở mặt sau đế Si  Thực hiện: - Baking 120oC (2 phút) - Primer 4000 vòng/phút (20s) - Phủ lớp photoresist 907/17 lên bề mặt đế bằng phương pháp phủ quay (spin coating), dung dịch photoresist được nhỏ giọt lên đế và cho đế quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên bề mặt đế. Để thực hiện việc phủ photoresist ta dùng máy quay cơ hình 2.1e với thông số điều chỉnh: primer 4000 vòng/phút trong vòng 40s. - Hot plate 120oC (10 phút) - BHF (6:1) (2-3 phút) - Acetone - Nước DI - Piranha (30 phút) - Làm khô bằng N2 - O2 plasma  Mục đích: tẩy lớp SiO2 ở mặt sau đế Si Hình 3.4: Đế Si sau khi tẩy lớp SiO2 ở mặt sau Bước 3: Phun phủ SWCNT  Thực hiện: Phương pháp thực hiện: phủ phun (spray coating). Thiết bị bao gồm một súng phun được gắn với vòi phun áp suất thấp, dung dịch SWCNT được đổ vào bình chứa sau đó phun trực tiếp lên wafer. - Mẫu được đặt trên bếp được nung nóng ở nhiệt độ 250oC - Súng phun có đường kính 0.8mm - Khí N2 - Áp suất 2MPa - Khoảng cách 30cm Khảo sát theo nồng độ dung dịch SWCNT. - Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT 27
28. - Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + 1 ml dung dịch NMP - Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + 2 ml dung dịch NMP  Mục đích: phủ lớp SWCNT lên phía trên lớp SiO2. Ống nano carbon đơn vách sẽ đóng vai trò là kênh dẫn trong cấu trúc CNTFET. Hình 3.5: Đế Si sau khi phủ lớp SWCNT Bước 4: Tạo điện cực máng (D) và điện cực nguồn (S)  Thực hiện: - Phủ lớp photoresist . Baking 120oC (5 phút) . Primer 4000 v/p (20s) . Photoresist OiR 907/17, primer 4000v/p (20s) . Hot plate 90oC (1 phút) Hình 3.6: Đế Si sau khi phủ lớp photoresist - Quang khắc: 2 . Công suất nguồn: 350W; Bước sóng 365nm; 25mW/cm . Chế độ hard contact . Thời gian chiếu sáng (exposure time): 5s o . Baking 120 C (1 phút) Hình 3.7: Quang khắc - Hiện ảnh . Dung dịch hiện ảnh: TMAH 2,5% (50 -55s) . Rửa bằng nước DI . Prime 4000v/p trong 20s (quay khô, không phủ primer) . Hot plate 120oC (30 phút) Hình 3.8: Đế Si sau khi ngâm dung dịch hiện ảnh - Phủ kim loại làm điện cực. Sử dụng phương pháp bốc bay chùm điện tử (Electron-beam) tạo 2 lớp kim loại làm điện cực máng và điện cực nguồn. Lớp Ti có vai trò giúp lớp Pt bám dính trên bề mặt lớp SWCNT. Chiều dày: . Ti: 1,17.10-5 mbar (20nm) . Pt: 2.7.10-5 mbar (100nm) 28
29. Hình 3.9: Đế Si sau khi phủ lớp kim loại làm điện cực - Lift-off trong Aceton . Ngâm trong Acetone 30 phút . Rửa lại bằng nước DI Hình 3.10: Đế Si sau khi lift-off  Mục đích: tạo điện cực máng (D-Drain) và điện cực nguồn (S-Source) Bước 5: Tạo điện cực cổng (G-Gate)  Thực hiện: tạo điện cực cổng (G-Gate) bằng phương pháp phún xạ (sputtering) - Kim loại sử dụng: nhôm (Al) - Ar: 15 sccm - Áp suất: 8.2.10-3 mbar - Công suất: 100W (60 phút)  Mục đích: tạo điện cực cổng (G-Gate) có chiều dày 500nm. Bước 6: Ủ nhiệt (ohmic contact)  Thực hiện: - Nung mẫu trong N2 - Nhiệt độ 400 – 450oC - Thời gian 20 phút. Khảo sát theo nhiệt độ nung và thời gian để lớp ohmic có điện trở nhỏ nhất. Hình 3.11: Hình dạng CNTFET hoàn chỉnh 29
30. Chương 4 ĐO ĐẠC, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. SWCNTs chế tạo trên cả wafer Sau quá trình thực nghiệm được nêu ra trong chương 3, chúng tôi thu được các wafer loại 4 inc, trên đó có các SWCNTs. Hơn nữa, các SWCNTs nằm giữa các điện cực, kết nối ra bên ngoài, cho phép khảo sát tính chất điện của CNTFET - nhiệm vụ chính của luận văn này. Trên hình 4.1 là hình ảnh các wafer chứa các đơn sợi CNTs. Các đơn sợi CNTs nằm giữa các điện cực, cho phép khảo sát tính chất điện cũng như đặc trưng của CNTFET. Hình 4.1: Các đế silic chứa đơn sợi CNTs 4.2. Phổ Raman của SWCNT trên bề mặt đế silic Kết quả chụp Raman bề mặt đế sau khi được phủ dung dịch SWCNT lên đế bằng phương pháp phun phủ (spray coating). Khảo sát theo các nồng độ khác nhau được trình bày trong các hình 4.2-4.5 Hình ảnh được chụp bằng máy phổ kế micro raman (micro raman spectroscopy - LABRAM 300; JOBINYVON; Pháp). Các nồng độ dung dịch SWCNTs được khảo sát: - Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT - Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + 1 ml dung dịch NMP - Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + 2 ml dung dịch NMP - Mẫu 4: 4ml dung dịch SWCNT có phủ lớp APTES để tăng độ bám dính của SWCNTs lên bề mặt đế mang. 30
31. Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.2: Ảnh Raman mẫu 1 Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + 1 ml NMP Hình 4.3: Ảnh Raman mẫu 2 Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + 2 ml NMP Hình 4.4: Ảnh Raman của mẫu thứ 3 Mẫu 4: 4ml dung dịch SWCNT có phủ lớp APTES để tăng độ bám dính của SWCNTs lên bề mặt đế mang. Hình 4.5: Ảnh Raman mẫu 4 Các kết quả RAMAN cho thấy lớp phủ trên bề mặt là các lớp SWCNTs, đáp ứng yêu cầu tiếp theo để chế tạo CNTFET. Kết hợp với việc khảo sát tính chất điện, chúng tôi thấy rằng việc thêm vào lớp APTES để tăng độ bám dính của SWCNTs lên bề mặt đế mang silicon là cần thiết. 4.3. Kết quả quan sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Kết quả chụp AFM bề mặt đế sau khi được phủ dung dịch SWCNT lên đế bằng phương pháp phun phủ (spray coating). Khảo sát theo các nồng độ khác nhau. Hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi nguyên tử lực (Atomic force microscope) Tên máy: ELECTRONICA S.L; Hãng sản xuất: NANOTEC Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.6: Ảnh AFM mẫu 1 Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + 1 ml NMP Hình 4.7: Ảnh AFM mẫu 2 Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + 2 ml NMP 31
32. Hình 4.8: Ảnh AFM mẫu 3 Từ các ảnh AFM cho thấy sự hiện diện và phân bố của CNTs trên bề mặt chip. Tuy nhiên có thể nói rằng các hình ảnh AFM không mang lại các thông tin chi tiết mà chúng tôi thực sự quan tâm. Sau nhiều lần quan sát bằng AFM, chúng tôi nhận thấy rằng việc quan sát để có được thông tin chi tiết của SWCNTs là rất khó khăn, đặc biệt trong trường hợp này khi các SWCNTs có kích thước siêu nhỏ chỉ vài nanomet. Các thiết bị có độ phân giải cao hơn như high resolution SEM, TEM là cần thiết cho công việc này trong các nghiên cứu tiếp theo. 4.4. Kết quả quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Mẫu 1: 4ml dung dịch SWCNT Hình 4.9: Ảnh SEM mẫu 1 Mẫu 2: 3ml dung dịch SWCNT + 1 ml NMP Hình 4.10: Ảnh SEM mẫu 2 Mẫu 3: 2ml dung dịch SWCNT + 2 ml NMP Hình 4.11: Ảnh SEM mẫu 3 Các hình ảnh SEM (hình 4.9 - hình 4.11) cho thấy rõ ràng sự hiện diện cũng như phân bố của các SWCNTs trên bề mặt đế mang, trong đó mẫu thứ nhất cho mật độ CNTs cao nhất, và mẫu thứ 3 cho mật độ thấp nhất. Điều đó cho thấy sự phụ thuộc của lượng dung dịch sử dụng đến mật độ của sợi. Ngoài ra các sợi có xu hướng phân bố đều trên toàn bề mặt trong mẫu thứ nhất, trong khi trên bề mặt của đế mang có nhiều khoảng trống không chứa SWCNTs, điều này có thể dẫn đến việc không lặp lại các tính chất của linh kiện sau này (do phân bố không đều). Ngoài ra việc quan sát các ảnh SEM cho thấy sự hiện diện của các tạp chất (các điểm màu sang trên ảnh SEM). Các phân tích khác của chúng tôi không đủ thông tin để đưa ra kết luận về các tạp đó. Tuy nhiên chúng tôi cho rằng các tạp chất là do các solvent gây ra. Việc sử dụng các solvent với độ tinh khiết cao hay có các bước lọc 32
33. (purification) cho các solvent trước khi sử dụng vì thế được đề nghị tiến hành trong các nghiên cứu sau này. 4.5. Đặc trưng Id-Vd của SWCNT FET Trong phần này, chúng tôi khảo sát sự thay đổi đường đặc trưng Id - Vd theo khoảng cách giữa cực nguồn và cực máng và điện thế cực cổng Vg. Các thí nghiệm đo đạc được thực hiện trên hệ đo đặc trưng I-V cho linh kiện bán dẫn (Agilent 4155C), kết nối với hệ probe station (Suss FP6). Đặc trưng Id-Vd của SWCNT FET với W = 5µm Hình 4.12: Đặc trưng Id – Vd của CNTFET với W = 5µm Đặc trưng Id-Vd của SWCNT FET với W = 7µm Hình 4.13: Đặc trưng Id – Vd của CNTFET với W = 7µm Đặc trưng Id-Vd của SWCNT FET với W = 10µm Hình 4.14: Đặc trưng Id – Vd của CNTFET với W = 10µm Các kết quả đo và khảo sát I-V cho thấy các SWCNT FET chế tạo ra có tính chất điện đặc trưng cho CNT FET đã được công bố bởi các nhóm nghiên cứu khác. Tuy nhiên các đặc trưng I-V cho thấy điện trở tiếp xúc giữa các đơn sợi CNTs với kim loại làm đường dẫn (metal-semiconductor contact) vẫn còn tương đối lớn (chưa thực sự là tiếp xúc ohmic) trên các CNT FET chế tạo trong luận văn này. Trong quá trình chế tao linh kiện của chúng tôi, các tiếp xúc kim loại-SWCNTs của linh kiện FET đã được ủ nhiệt trong môi trường chân không nhằm tạo tiếp xúc ohmic. Tuy nhiên để thực sự đạt được tiếp xúc Ohmic, môi trường ủ nhiệt cần thiết phải là ủ trong hỗn hợp khí N2:Ar (10:90), đây là điều kiện hiện chưa có được tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano. Hiện phòng thí nghiệm đang chuẩn bị để các linh kiện chế tạo tiếp theo sẽ được xử lí đúng trong điều kiện chuẩn, tạo tiếp xúc Ohmic chuẩn cho SWCNT FET. 33
34. KẾT LUẬN Trên cơ sở tiếp nối các nghiên cứu trên thế giới 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, đề tài: “Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor của transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” bước đầu đã đạt được những kết quả sau: 1. Xây dựng qui trình và chế tạo thành công CNTFET theo cấu trúc back-gated. 2. Khảo sát sự phụ thuộc của nồng độ dung dịch pha SWCNT đến sự phân bố trên bề mặt đế mang silicon. Từ kết quả khảo sát, ảnh chụp raman, SEM cho các kết quả tốt, phù hợp với các kết quả đã được công bố [23], từ đó tìm ra điều kiện thích hợp nhất cho quá trình thực nghiệm chế tạo SWCNT FET. 3. Quá trình phủ dung dịch ống nano carbon đơn vách lên bề mặt đế sử dụng phương pháp phủ phun (spray coating) với các điều kiện về nhiệt độ đế, khoảng cách và nồng độ dung dịch cho kết quả tốt (thể hiện qua ảnh chụp AFM và SEM), ống nano carbon phủ đều trên bề mặt đế. . Tuy nhiên phương pháp này còn điểm hạn chế là không kiểm soát được chắc chắn ống nano carbon sau khi phủ có nối được giữa cực nguồn và cực máng hay chưa. Hiện tại cần tìm hiểu phương pháp thực hiện quá trình này cho tỷ lệ thành công cao hơn và có thể kiểm soát tốt vị trí của ống nano carbon. 4. Sản phẩm CNTFET tạo thành có đặc trưng Id-Vd phù hợp với các tài liệu nghiên cứu được công bố trước đó [12] [13] 5. Bước đầu khảo sát một cách hệ thống sự ảnh hưởng của khoảng cách từ cực máng đến cực nguồn đến đặc trưng Id-Vd khi thế điều khiển áp vào cực cổng thay đổi. Các thông số được thiết lập để khảo sát tại phần phụ lục 1. 34
35. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO Sau khi nghiên cứu, trao đổi, chúng tôi đề xuất các hướng nghiên cứu sau đây, để hoàn chỉnh qui trình chế tạo SWCNT FET với các tính chất và đặc trưng tốt hơn: 1. Thay đổi quy trình công nghệ để chế tạo các sợi CNT có tính định hướng, đơn sợi hay bó sợi bằng việc sử dụng từ trường trong quá trình phun, phủ dung dịch CNT lên trên bề mặt đế mang silicon. 2. Do điều kiện của Phòng thí nghiệm, đặc biệt là thiết bị quang khắc chỉ có thể chế tạo cấu trúc xuống kích thước micron, việc chế tạo các FET là không có ý nghĩa thực tế do các FET hiện nay đã được chế tạo xuống kích thước nanomet. Tuy nhiên các SWCNT FET với chiều dài kênh dẫn ở kích thước micron lại có nhiều ứng dụng ưu việt trong nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ các SWCNT FET hoàn toàn thích hợp để làm các cảm biến khí và cảm biến sinh học (nanobiosensors) để đo nồng độ các chất sinh học. 35
36. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt 1. Đào Khắc An (2009), Công nghệ micrô và nanô điện tử, Nhà xuất bản Giáo Dục, Đà Nẵng. 2. Trần Thị Cầm (2007), Giáo trình Cấu kiện điện tử, Hà Nội. 3. Nguyễn Thị Lưỡng (2010), Linh kiện điện tử nano. 4. Quách Huy Tường (2010), Ống nano carbon – Các phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng. Tiếng Anh 5. Annick Loiseau & Stephan Roche (2005), Understanding carbon nanotubes From basics to applications, Springer, Berlin Heidelberg. 6. J. Deng, H.-S. P. Wong (2007), “A Compact SPICE Model for Carbon-Nanotube Field-Effect Transistors Including Nonidealities and Its Application - Part I: Model of the Intrinsic Channel Region”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol 54, pp. 3186-3194. 7. Kazuyoshi Tanaka & Tokio Yamabe & Kenichi Fukui (1999), The science and technology of carbon nanotubes, Netherlands. 8. Michael J.O’Connell, Ph.D. (2006), Carbon Nanotubes Properties and Applications, Taylor & Francis, California. 9. M.Meyyappan (2005), Carbon nanotubes Science and applications, NASA Ames Research Center, CRC Press. 10. N. Patil, A. Lin, E. Myers, K. Ryu, A. Badmaev, C. Zhou, H.-S.P. Wong, S. Mitra 2009, "Wafer-Scale Growth and Transfer of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes," IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 8, pp. 498-504. 11. S. Dresselhaus,G. Dresselhaus and P. Avouris (2000), Carbon Nanotubes : Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Springer-Verlag. 12. S. J. Wind, J. Appenzeller, R. Martel, V. Derycke, and Ph. Avouris (2002), “Vertical scaling of carbon nanotube field-effect transistors using top gate electrodes”, IBM T. J. Watson Research Center, P.O. Box 218, Yorktown Heights, New York. 13. Tamer Ragheb (2007), “Carbon Nanotube Field-Effect Transistors (CNTFETs): Evolution and Applications for Future Nanoscale ICs”. SWeNT® 14. T.W.Ebbesen (1996), Carbon nanotubes preparation and properties, CRC Press. Thông tin từ Internet 15. CNTs. 16. CNFET Models. 17. MORRE’S LAW 18. FET. 36
37. 19. FET. 20. 21. 22. 23. Raman. 37
38. PHỤ LỤC 1. Phần mềm Agilent Easy EXPERT đo đặc trưng Id-Vd Các thông số điều chỉnh khảo sát đặc trưng Id-Vd của sản phẩm CNTFET tạo thành. - CNTFET loại P. Polarity: Pch - Dòng Id cực đại: 5µA - Điện thế cực cổng có giá trị thay đổi từ -4V đến 0V với bước nhảy 1V - Điện thế cực máng thay đổi từ 2V đến 0V với bước nhảy 100mV Hình 5.1: Thông số điều chỉnh đo đặc trưng Id-Vd của CNTFET 2. Hình ảnh mặt nạ được thiết kế bằng phần mềm Clewin Mặt nạ được thiết kế bằng chương trình Clewin để sử dụng trong quá trình quang khắc gồm 6x6 vị trí. Tại mỗi vị trí là 16 cặp điện cực được thiết kế với chiều rộng và chiều dài thay đổi. Việc thiết kế nhằm mục đích tạo điều kiện khảo sát sự thay đổi các đặc tính điện của các CNTFET tạo thành theo khoảng cách từ cực nguồn đến cực máng và chiều rộng của cực máng, nguồn. Hình 5.2: Hình ảnh tổng thể mặt nạ được thiết kế bằng phần mềm Clewin Hình 5.3: Hình ảnh chi tiết một ô trong mặt nạ 38