电化学小组供稿
Advanced Materials: 基于欧姆接触的高性能源极门控碳纳米管晶体管器件
引言
随着信息社会的高速发展，人们对数据监测与数据收集的需求日益增长，例如从可穿戴设备和物联网设备等传感硬件收集的数据量达到了前所未有的水平，由此带动了具备本地数据处理能力传感技术的发展。电子传感器就是其中诞生的新应用，常用于检测复杂的生物信号。信号放大器作为电子传感器的核心部件，其作用为放大信号并驱动后续的数模转换器。然而溶液加工半导体晶体管的低输出电流限制了其在信号放大器中的应用。在溶液加工的半导体中，单壁碳纳米管薄膜与有机和金属氧化物半导体相比，具有更高的场效应迁移率和电流承载能力而引起广泛关注。目前已实现数百万个单壁碳纳米管晶体管的集成及200毫米单壁碳纳米管晶体管晶片的制备。
基于此，美国西北大学的Mark C. Hersam课题组采用溶液加工的单壁碳纳米管薄膜作为半导体层，构筑了一种特殊结构的欧姆接触源极门控晶体管器件。该器件在小于300 nm的沟道长度下具有较大的饱和输出电流与输出阻抗（16.7 MW），因此呈现出优异的信号放大性能。该器件用于共源放大器中，在30 mA mm−1的输出电流下，信号增益高达230 mm−1，是目前溶液加工半导体晶体管相关文献报道的最优值。相关成果于近期发表在Advanced Materials。
器件设计思路
该晶体管器件是一类双栅极晶体管，底部为底栅顶接触结构，顶部为源极门控（source-gated）结构（相关概念可见IEEE Electron Device Lett. 2003, 24, 405）。其制备工艺如图1a所示，首先，底栅电极（Ti）与氧化物介电层（HfO2）沉积在未掺杂的硅片上，并在介电层表面沉积溶液加工的单壁碳纳米管（纯度99.9%）层作为半导体层；随后通过光刻和定向金属沉积技术在碳管层表面构筑特定形态的底接触电极（Pd），其可与碳纳米管形成欧姆接触；进一步通过原子层沉积技术（ALD）在底接触电解表面沉积一层共形介电层（HfO2），随后将光刻胶连同与其接触的电极与介电层剥离，形成了顶部介电层沿着底接触电极向底部半导体层延伸的结构。最后，再通过光刻与定向金属沉积技术构筑特定形态的顶接触电极（Pd），使其充分覆盖半导体层及其顶端的介电层，此时半导体层表面被顶接触电解覆盖的介电层长度即为器件的沟道长度（长度为280 nm，宽度为10 mm），同时在半导体层顶端介电层之上的顶接触电极部分可作为第二个栅极。图1b-d为器件的显微镜图与三维结构示意图，可以更形象地了解其结构。该器件构型可有效提升栅极对导电沟道的调控效果，同时由于电极与半导体层的欧姆接触，可实现在较短沟道的情况下有效避免肖特基接触界面上的热电子发射，保证较大的输出电流密度。
图1 a. 欧姆接触源极门控晶体管的制备流程；b. 欧姆接触源极门控晶体管阵列的光学显微镜图；c. 器件的三维示意图 d. 器件的层状结构示意图（左）与碳纳米管层的AFM电镜图（右）
晶体管的性能参数
由于该类源极门控器件特殊构型导致的非对称静电场，使得器件性能会随源漏极电压（VSD）的极性变化而产生差异。为了获得器件的最优性能，作者采用两种测试模式，一种是电压加在顶接触电极上，底接触电极接地；另一种是电压加在底接触电极上，顶接触电极接地。图2a-b为两种测试条件下器件的转移特性曲线，晶体管呈现出单极性p型特征，开关比大于104，输出电流IDS ≈ 10 µA µm–1，漏电流IGS ≈ 10 pA µm–1。相比而言，顶电极接地模式具有更大的开关比，同时随着源漏电压的增大，开关比降低的幅度相对较小，在较大的源漏电压下仍然可保持104左右的开关比。图2c为器件的输出特性曲线。由于钯电极与碳管之间为欧姆接触，器件在小偏压范围内呈现线性输出特性。得益于欧姆接触，器件呈现出较大的输出电流，在−4 V栅压（VG）条件下，顶接触接地与底接触接地测试模式的最大输出电流分别为29和33 µA µm–1。一般而言，沟道长度较短的碳管晶体管的输出电流通常较小，甚至无法获得饱和输出电流。而该欧姆接触的源极门控晶体管构型可有效提升静电门控效率，从而获得较大的饱和输出电流。该器件的优势还体现在晶体管两个关键的性能参数跨导（gm, 恒定源漏电压下gm= dIDS/dVGS）和输出电导（go）上。图2d为两种测试模式下，跨导与输出电导随栅压（VSD=−2 V）与源漏极电压（VG=−1 V）的变化趋势。两种测试模式的最大跨导值比较接近（31 µS µm–1）；底电极接地模式的输出电导随源漏极电压增大而增大，而顶电极接地模式下输出电导随着源漏极电压的增大而减小接近一个数量级。由此可见，顶电极接地模式在具有相同跨导的情况下具有更大的输出阻抗，因此该模式更适用于高输出阻抗的模拟电路，例如放大器，电流源和电流反射镜等。
图2 a-b. 底电极接地与顶电极接地测试条件下器件的转移特性曲线；c. 两种测试条件下器件的输出特性曲线；d.两种测试模式下，跨导与输出电导随栅压（VSD = −2 V）与源漏极电压（VG = −1 V）的变化趋势
晶体管在实际传感系统中的信号放大性能
鉴于该晶体管呈现出较低的跨导及较大的输出阻抗，作者将其应用于模拟采集系统的信号放大。图3a为信号采集过程的示意图，小的模拟信号经过放大器被放大，通过模数转换器（analog-to-digital converters）转化为数字信号，然后处理为数字输出。信号放大器在获取低幅值传感数据中起着关键作用，因为它会驱动随后的ADC系统，并将信号幅值增加到适合模拟信号数字化的水平。因此，实际的传感系统需要高信号增益和高电流输出的信号放大器，特别是高输出电流可以将后续ADC电路中的负载影响降到最低。溶液加工的半导体常被应用于这类传感系统中，然而受限于低输出电流，其作为放大器性能难以达到要求。基于此，作者采用单级、单晶体管共源放大器（图3b）来验证欧姆接触源极门控晶体管的信号放大性能。图3c为两种测试模式对一个振幅为5 mV的正弦输入信号的放大效果，底电极接地与顶电极接地的信号放大增益分别为5和68，该优异性能源于欧姆接触源极门控晶体管特殊的结构，即在短沟道长度内可同时实现较高的信号增益与输出电流。与其它文献报道的晶体管性能相比，欧姆接触源极门控晶体管呈现出显著优势（图3d）。
图3 a. 信号采集系统示意图；b. 晶体管共源放大器电路图；c. 两种测试条件下晶体管信号放大性能；d. 本文报道的性能与文献对比
总结
本论文报道了欧姆接触源极门控晶体管，该晶体管以溶液加工的单壁碳纳米管为半导体层，采用钯电极与碳纳米管形成欧姆接触，结合独特的双栅极构型，可以有效提升晶体管性能，在传感体系的信号放大器中具有良好的应用前景。
相比碳纳米管晶体管而言，单分子晶体管器件目前还有较长的路要走。一方面，单分子晶体管开关比与本文104还存在较大的差距（Adv. Mater. 2021, 10.1002/adma.202005883）；另一方面单分子晶体管中的半导体-电极接触界面对器件性能的影响仍有待挖掘，我们也正在该方向进行探索。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202100994
撰稿人：白杰（2019级博士后）
校稿人：李晓慧（2019级博士后）
