本申請(qǐng)要求2014年4月24日提交的標(biāo)題為“TUNABLE BARRIER TRANSISTORS FOR HIGH POWER ELECTRONICS”的具有序列號(hào)61/983,779的共同未決的美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)卮送ㄟ^引用被全部并入。

關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或發(fā)展的聲明

本發(fā)明是政府在根據(jù)由美國國家科學(xué)基金會(huì)授予的協(xié)定CCS-1232018支持之下做出的。政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。

背景

功率轉(zhuǎn)換用于調(diào)節(jié)和分配電力，或者是沿著高電壓電力線以兆瓦傳輸或者是通過計(jì)算機(jī)的邏輯門以納安培驅(qū)動(dòng)。用于從一個(gè)電壓或相位跨到另一電壓或相位、將AC轉(zhuǎn)化成DC或隔離饋電線的功率轉(zhuǎn)換單元，對(duì)于它們的操作，依賴于電子開關(guān)。理想的開關(guān)在具有對(duì)電流接近零的電阻的接通狀態(tài)和對(duì)開關(guān)頻率的范圍接近無窮大的電阻的斷開狀態(tài)之間擺動(dòng)。

附圖的簡(jiǎn)要說明

參考以下附圖可更好地理解本公開的很多方面。在附圖中的部件不一定按比例，相反強(qiáng)調(diào)清楚地說明本公開的原理。而且，在附圖中，相似的參考數(shù)字在全部幾個(gè)視圖中指示相應(yīng)的部件。

圖1A和1B是根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的可調(diào)勢(shì)壘晶體管(TBT)器件的例子的視圖。

圖2是根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的碳納米管的稀釋網(wǎng)(dilute network)的原子力顯微圖像。

圖3是根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的在TBT中工作的電流注入調(diào)制機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖4A-4B和5A-5B是根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的可調(diào)勢(shì)壘晶體管(TBT)器件的例子的視圖。

圖6是根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的包括若干啟用碳納米管的垂直TBT器件的原型硅基器件的圖像。

圖7A-7D和8A-8B是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的基于硅的、啟用碳納米管的垂直TBT器件的性能的曲線圖。

圖9A和9B是示出根據(jù)本公開的各種實(shí)施方式的另一啟用碳納米管的垂直TBT器件的傳遞和輸出曲線的例子的曲線圖。

詳細(xì)描述

在本文公開了涉及可在高功率電子器件中使用的可調(diào)勢(shì)壘晶體管的各種例子?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考如在附圖中示出的實(shí)施方式的描述，其中相似的數(shù)字在全部幾個(gè)視圖中指示相似的部件。

雖然傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)可適應(yīng)電網(wǎng)級(jí)負(fù)載，它們減慢開關(guān)速度——在秒或分鐘的數(shù)量級(jí)上，限制電網(wǎng)整體的效率。固態(tài)電子開關(guān)(例如MOSFET和IGBT)另一方面可在從赫茲的10s到吉赫茲的100s的頻率的寬帶寬下有效地被接通和斷開，但它們被限制到低和中等水平功率管理應(yīng)用。具有穿孔的碳納米管和/或石墨烯的使用允許分立和集成可調(diào)勢(shì)壘晶體管的開發(fā)，可調(diào)勢(shì)壘晶體管在接通時(shí)可有效地驅(qū)動(dòng)非常大的電流(>100A)，同時(shí)在它們的斷開狀態(tài)中阻斷大電壓(>1kV)。

參考圖1A和1B，分別示出基于硅的、啟用碳納米管的垂直可調(diào)勢(shì)壘晶體管(TBT)100的例子的透視圖和橫截面視圖。垂直TBT 100包括布置在無機(jī)硅層(或由例如晶體半導(dǎo)體制成的襯底)102的一側(cè)上的漏極電極101。在無機(jī)硅層102的另一側(cè)上的是包括暴露下層半導(dǎo)體102的開口或間隙的介電層103(例如SiO₂)。在圖1A和1B的例子中，碳納米管104的稀釋網(wǎng)越過介電層103和暴露的半導(dǎo)體層102延伸到布置在與半導(dǎo)體層102相對(duì)的介電層103上的源極電極觸頭105。在一些實(shí)施方式中，源極電極觸頭105可在碳納米管104的稀釋網(wǎng)的一部分之上形成以形成源極電極。

碳納米管104的稀釋網(wǎng)可包括單壁納米管(SWNT)。圖2示出碳納米管104的稀釋網(wǎng)的例子的原子力顯微圖像。圖像示出在1微米x 1微米長(zhǎng)度規(guī)模下在TBT器件100中使用的一般納米管表面密度。亮的線性物體是由每捆1到10個(gè)納米管組成的單壁碳納米管捆。在一些實(shí)施方式中，具有穿孔的石墨烯的薄層可代替碳納米管104來使用。碳納米管和石墨烯與常規(guī)金屬的關(guān)鍵差別是這些納米碳的低密度狀態(tài)(DOS)給它們賦予可調(diào)費(fèi)米能級(jí)——在高DOS常規(guī)金屬中看不到的東西。

回來參考圖1A和1B，電介質(zhì)106的薄層在源極電極觸頭105之間布置在碳納米管104的稀釋網(wǎng)上的整個(gè)TBT 100上。柵極電極106在介電層103的開口或間隙中布置在碳納米管104的稀釋網(wǎng)之上的薄介電層106上。柵極場(chǎng)可經(jīng)由在稀釋網(wǎng)中的納米管之間的開口區(qū)接近在納米管104的網(wǎng)和無機(jī)半導(dǎo)體102之間的界面，以修改肖特基勢(shì)壘并從而控制通過無機(jī)半導(dǎo)體102在源極電極觸頭105之間流到漏極101的電流。在稀釋納米管網(wǎng)104的SWNT捆(圖2)之間的間隔允許柵極場(chǎng)容易接近納米管-半導(dǎo)體界面。在實(shí)質(zhì)上較高的碳納米管表面密度下(或具有連續(xù)的石墨烯薄層)，柵極場(chǎng)相對(duì)于納米管-半導(dǎo)體界面部分被屏蔽并通過穿過管/薄層被減弱，而不是能夠繞過碳納米管104。

啟用碳納米管或石墨烯的可調(diào)勢(shì)壘晶體管(CN-TBT或G-TBT)基于在納米碳源極觸頭和無機(jī)半導(dǎo)體溝道之間形成的柵極可調(diào)肖特基勢(shì)壘。因?yàn)榻饘侔雽?dǎo)體結(jié)的特征由在結(jié)搭配之間的費(fèi)米能級(jí)偏移規(guī)定(到第一階)，如果結(jié)的“金屬”側(cè)是碳納米管或石墨烯，則它的費(fèi)米能級(jí)的柵極場(chǎng)調(diào)節(jié)提供調(diào)節(jié)結(jié)特征的方式。

不是如在常規(guī)晶體管中的控制在兩個(gè)歐姆觸頭之間的半導(dǎo)體溝道的載流子密度，柵極電壓調(diào)制在源極-溝道界面處的勢(shì)壘高度和寬度。參考圖3，示出在TBT 100中工作的電流調(diào)制機(jī)構(gòu)的示意圖。不是控制在歐姆源極和漏極電極之間的溝道區(qū)中的載流子濃度，柵極電極控制在源極電極和半導(dǎo)體溝道之間形成的肖特基結(jié)處的電荷注入勢(shì)壘的高度(實(shí)線303)和寬度(點(diǎn)線306)。初始肖特基勢(shì)壘幫助限制斷開狀態(tài)漏電流，同時(shí)柵極引起的勢(shì)壘降低和薄化導(dǎo)致在接通狀態(tài)中的全歐姆注入(勢(shì)壘也可由依賴于源極漏極偏壓的在半導(dǎo)體中的圖像-力效應(yīng)降低)。通過在反向偏壓中操作器件，可實(shí)現(xiàn)非常大的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)維持高接通/斷開比。

TBT 100的值得注意的方面包括：

●包括低能態(tài)密度半金屬(例如石墨烯薄層或碳納米管膜)的可調(diào)功函數(shù)源極電極；

●允許柵極場(chǎng)接近半導(dǎo)電材料的源極電極膜的所設(shè)計(jì)的孔隙度和電場(chǎng)透明度；

●在閉塞的源極電極(ungated source electrode)和半導(dǎo)電溝道之間形成的肖特基勢(shì)壘；

●用于選通源極電極和相鄰半導(dǎo)體以便控制在接觸勢(shì)壘兩端的電阻的機(jī)構(gòu)；

●具有高電流承載能力和電場(chǎng)擊穿的無機(jī)半導(dǎo)電溝道(硅或?qū)拵稛o機(jī)半導(dǎo)電或半絕緣材料，包括但不限于，GaN、SiC、AIN和/或鉆石)；以及

●器件幾何結(jié)構(gòu)，其中源極觸頭在正常操作期間相對(duì)于漏極電極被反向偏壓。

參考圖4A到4B，示出垂直TBT 100的另一例子的圖形表示。圖4A包括連續(xù)層被剝離以示出層順序的頂視圖，以及示出沿著所指示的虛線的連續(xù)層的橫截面視圖，其中層101是最底部的層。圖4B示出透視圖，其中連續(xù)層被剝離以進(jìn)一步示出層順序。在圖4A和4B的例子中，TBT 100被制造在由層102表示的晶體無機(jī)半導(dǎo)體(例如Si、GaAs、GaN或SiC)上。層101是沉積到半導(dǎo)體層102的背側(cè)上的漏極金屬電極。為了確保與漏極電極101的歐姆接觸的目的，半導(dǎo)體102可包括在漏極電極(未示出)之下的高摻雜稀釋層。

在半導(dǎo)體的頂表面(與漏極電極101相對(duì))上的是氧化物或氮化物介電層103(例如大約10nm到大約500nm厚)，其被圖案化到一組相鄰線內(nèi)以暴露下層半導(dǎo)體(SC)102。雖然在圖4A中只示出3個(gè)平行線，可根據(jù)由TBT器件100控制的總的最大電流來修改這樣的線的數(shù)量以及它們的長(zhǎng)度、寬度和在線之間的間距。層104代表碳納米管的稀釋網(wǎng)。稀釋納米管網(wǎng)104具有完全位于具有按質(zhì)量范圍從大約0.05μg/cm²到大約1.0μg/cm²的表面密度的滲漏閾值之上的納米管表面密度。

如可在圖4A和4B中看到的，納米管網(wǎng)104橫越電介質(zhì)線103的頂部平放并向下延伸到在電介質(zhì)線103之間的被暴露的半導(dǎo)體102上。納米管網(wǎng)104形成源極電極的一部分。金屬(例如Al、Mo、Au、Cr和/或Pd)然后使用光刻法通過消減蝕刻進(jìn)行沉積和限定以形成源極電極觸頭105，其接觸只在介電層線103的頂部上的納米管網(wǎng)絡(luò)104。在TBT器件100的至少一側(cè)上(見點(diǎn)線框區(qū)108)，電介質(zhì)在相鄰電介質(zhì)線103之間延伸，且源極觸頭105的金屬電連接在電介質(zhì)103之上的所有金屬源極接觸線105。

在介電層106的隨后沉積之后，在這個(gè)區(qū)中的金屬105的至少一部分將最終被暴露，用于產(chǎn)生與源極電極的電連接。因?yàn)樵诎雽?dǎo)體表面處的懸空鍵是可影響肖特基勢(shì)壘形成的表面狀態(tài)的源，可緊接著在薄(例如大約30到大約100nm厚)介電層106沉積在整個(gè)表面上(包括在被暴露的半導(dǎo)體102、納米管網(wǎng)104、電介質(zhì)線103和源極接觸線105上)之前，在這個(gè)步驟在原位使用稀釋納米管網(wǎng)104來執(zhí)行半導(dǎo)體表面(例如被控制了厚度的Si或薄的原產(chǎn)氧化物的氫終端(hydrogen termination))的化學(xué)鈍化。這個(gè)薄介電層106是柵極電介質(zhì)。

柵極電極107的金屬接著被沉積并圖案化，使得電極位于納米管網(wǎng)絡(luò)104的部分之上，其不被源極電極觸頭105覆蓋。通過避免柵極和源極觸頭重疊，可減小寄生電容。當(dāng)源極、漏極和柵極引腳分別附著到相應(yīng)的金屬觸頭101、105和107時(shí)，TBT器件100在功能上是完整的。TBT 100可被封裝以保護(hù)其免受元件影響并提供吸熱。

在TBT器件100中，晶體半導(dǎo)體不能沉積到納米管上。替代地，納米管104的稀釋網(wǎng)絡(luò)沉積到半導(dǎo)體102上，且柵極電介質(zhì)106沉積到半導(dǎo)體表面上的納米管網(wǎng)104上。為了使柵極電極107對(duì)源極-漏極電流施加控制，柵極介電層106應(yīng)是大約100nm或更小(例如大約3到100nm、大約10到100nm、大約25到100nm或大約50到100nm)以在合理的柵極電壓下接通和斷開TBT器件100。

納米管網(wǎng)104的載流能力可指示TBT器件100的電流限制。在網(wǎng)104中的每個(gè)納米管可攜帶高達(dá)大約25μA的限制。在這個(gè)點(diǎn)之上，電子光子耦合開始飽和，進(jìn)一步限制隨著電壓的增加而增加電流。源極觸頭電極線105提供將電流饋送到向下延伸到半導(dǎo)體102的稀釋納米管網(wǎng)104的匯流條。假設(shè)在匯流條之間的10微米間距，每個(gè)間距具有10微米寬，則可估計(jì)對(duì)于在從大約0.05μg/cm²到大約1.0μg/cm²的范圍內(nèi)的納米管表面密度，垂直TBT 100的電流限制將在每cm²幾萬安培的數(shù)量級(jí)上。

在寬帶隙半導(dǎo)體(例如GaN、SiC和鉆石)的制造中的改進(jìn)方面，暗示有成本效益的寬帶隙半導(dǎo)體(WBS)晶圓將變得更廣泛可得到。在寬帶隙半導(dǎo)體(例如GaN、SiC、AIN或鉆石)(在載體襯底上的體晶圓或外延層)上構(gòu)建TBT應(yīng)允許類似的電流密度，但具有好得多的阻斷電壓額定值。阻斷電壓是功率器件的品質(zhì)因數(shù)，且是擊穿電場(chǎng)的函數(shù)，半導(dǎo)體材料的基本特性。對(duì)于等效的接通狀態(tài)電阻，在GaN、SiC和鉆石中的擊穿電壓分別超過硅的擊穿電壓200、500和幾千倍，暗示TBT器件100可受益于在阻斷電壓額定值方面的類似的大幅增加。

在這些硅器件中的輸出電流可由總接通電阻限制。CNT膜電阻R_CNT和硅溝道電阻R_Si都可進(jìn)一步被優(yōu)化以提高輸出電流密度而不犧牲接通/斷開比。減小到硅開口(或溝槽)的邊緣的源極觸頭金屬的距離和有源界面的寬度可將寄生薄層電阻減小10倍而不需要高分辨率圖案化。如果使用具有100nm層的超薄絕緣體上硅(SOI)襯底(或外延GaN或SiC襯底)，半導(dǎo)電溝道的厚度也可減小高達(dá)500,000倍。這應(yīng)允許這些TBT器件100接近30,000A/cm²的我們的納米管膜的理論載流能力限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有技術(shù)水平的功率晶體管。

雖然討論了垂直集成的TBT器件，所述概念可擴(kuò)展到橫向架構(gòu)。橫向TBT器件并排放置源極和漏極電極，有源半導(dǎo)電溝道在其間。在這個(gè)配置中，柵極電極可被制造成與源極電極和類似于現(xiàn)有肖特基勢(shì)壘MOSFET設(shè)計(jì)的溝道都重疊。在這種情況下，源極電極、納米管和溝道的功函數(shù)由柵極場(chǎng)調(diào)節(jié)。實(shí)際上，該TBT器件將能夠支持在接通狀態(tài)中的高載流能力和在斷開狀態(tài)中期望的高阻斷電壓。此外，額外或可選的柵極可放置在半導(dǎo)電溝道之下以提供更強(qiáng)的杠桿臂用于跨導(dǎo)(例如減小亞閾值擺幅和/或增加擺動(dòng)速度)。

接著參考圖5A和5B，其示出橫向TBT 200的例子的圖形表示。圖5A包括連續(xù)層被切掉以示出層順序的頂視圖，以及示出沿著所指示的虛線的連續(xù)層的橫截面視圖。橫向方向允許器件200便于大阻斷電壓。TBT 200包括在無機(jī)半導(dǎo)體層203的一側(cè)上的后柵極201和后柵極電介質(zhì)202。圖5B包括TBT 200a(所有層適當(dāng)?shù)奈恢蒙?在和TBT 200b(出于說明的原因，其中頂部柵極介電層209和頂部柵極電極210被移除)的頂視圖。如TBT 200b所示的，漏極電極的碳納米管205的稀釋網(wǎng)布置在介電層204和通過介電層204可接近的半導(dǎo)體203的部分之上。漏極電極觸頭206耦合到碳納米管205的稀釋網(wǎng)絡(luò)以形成漏極電極。源極電極的碳納米管207的稀釋網(wǎng)絡(luò)也布置在介電層204和通過介電層204可接近的半導(dǎo)體203的部分之上。源極電極觸頭208耦合到碳納米管207的稀釋網(wǎng)絡(luò)以形成源極電極。如由TBT 200a所示的，頂柵極介電層209布置在整個(gè)TBT 200上，覆蓋漏極和源極電極，且金屬頂柵極電極210位于分別在漏極和源極電極觸頭206和208之間的頂柵極介電層209上。

橫向TBT器件200仍然依賴于在可調(diào)功函數(shù)源極電極(包括有或沒有穿孔的碳納米管或石墨烯的稀釋網(wǎng))和半導(dǎo)電溝道之間形成的柵極調(diào)制肖特基勢(shì)壘。然而，在圖5A和5B中的橫向TBT 200中，源極電極207和漏極的電極205實(shí)際上放置成與由無機(jī)半導(dǎo)體層203形成的半導(dǎo)電溝道在同一平面中。柵極電介質(zhì)209和金屬柵極電極210都越過溝道延伸出源極電極觸頭208的邊緣至漏極電極觸頭206。這允許沿著整個(gè)溝道的載流子濃度被調(diào)制以及勢(shì)壘在源極觸頭208處進(jìn)行電荷注入。橫向TBT 200的這個(gè)布局還允許在漏極電極205的選擇中的靈活性。例如，歐姆或肖特基接觸可制造成與常規(guī)金屬電極或與另一可調(diào)功函數(shù)納米碳電極。對(duì)稱結(jié)構(gòu)(源極電極207和漏極電極205是納米碳膜)的選擇導(dǎo)致在正向和反向偏壓中的對(duì)稱電流輸出。

頂柵極疊層(納米管網(wǎng)209和觸頭210)可位于源極電極/半導(dǎo)體界面之上，就像在垂直TBT器件100(圖4A和4B)中一樣。然而，如果薄主體半導(dǎo)體203用作半導(dǎo)體溝道(例如SOI、Si上GaN或外延半導(dǎo)體)，則額外或可選的后柵極疊層(后柵極201和電介質(zhì)202)可放置在半導(dǎo)體溝道203之下。這允許半導(dǎo)電溝道的更好的柵極控制和在納米碳源極電極(納米管網(wǎng)207)和下層半導(dǎo)體203之間的界面的更完全的選通。薄主體還導(dǎo)致更常規(guī)的電流飽和行為，其可能對(duì)操作穩(wěn)定性是有用的。這個(gè)橫向架構(gòu)也容易允許半導(dǎo)電溝道是二維(2D)電子氣體(例如AlgaN/GaN高電子移動(dòng)性晶體管(HEMT))。

在圖5A和5B的實(shí)施方式中，源極觸頭208和漏極觸頭206通過介電層204與半導(dǎo)電溝道隔離，納米碳覆蓋在介電層204之上。為了減小處理步驟的數(shù)量，一些實(shí)現(xiàn)可消除介電層204。在這樣的情況下，選擇觸頭金屬，使得當(dāng)它們產(chǎn)生與納米碳電極(有或沒有穿孔的碳納米管或石墨烯的稀釋網(wǎng))的良好歐姆接觸時(shí)，它們形成對(duì)半導(dǎo)體203的強(qiáng)肖特基勢(shì)壘。如果到溝道的肖特基勢(shì)壘足夠大，則來自觸頭206和208的漏電流(在斷開狀態(tài)中)將是可忽略的，雖然接通電流將通過直接從觸頭206和208到半導(dǎo)體203內(nèi)的額外電荷注入(除了來自納米碳電極的注入以外)而增強(qiáng)。

觸頭布局也可以比所描繪的更復(fù)雜，以便最大化電流密度，并可延伸(有效地增加溝道寬度)以制造具有非常高的總電流輸出的大器件。晶體管特性非常依賴于半導(dǎo)電溝道材料的選擇和長(zhǎng)度(在源極電極207和漏極電極205之間的距離)。這兩者的謹(jǐn)慎選擇可用于平衡初始肖特基勢(shì)壘、接通電流溝道電阻和阻斷電壓要求。

為了展示器件操作機(jī)制，使用500μm單晶硅層102作為半導(dǎo)電溝通來實(shí)現(xiàn)圖1B所示的垂直TBT 100。在這個(gè)實(shí)施方式中，碳納米管104的稀釋膜用作可調(diào)功函數(shù)源極電極。納米管104的功函數(shù)由被薄高k Al₂O₃電介質(zhì)106隔離的頂柵極107調(diào)制。納米管源極電極105與充當(dāng)垂直集成溝道層的硅晶圓102的鈍化表面103接觸。在硅晶圓102的背側(cè)上制造漏極觸頭101，將溝道長(zhǎng)度定義為硅晶圓102的厚度。圖6示出由具有公共漏極和四個(gè)獨(dú)立的柵極電極的20個(gè)垂直CN-TBT 100組成的原型硅基器件的圖像。

為了制造垂直TBT器件100，歐姆漏極電極101首先在500μm厚的p型<100>硅晶圓102(硼，p＝5Ωcm)的背側(cè)上產(chǎn)生。光致抗蝕劑的厚膜旋轉(zhuǎn)到頂表面上以允許200nm熱氧化物層103的緩沖氧化物腐蝕(BOE)。硅晶圓102接著被立即裝入熱蒸發(fā)室內(nèi)，且80nm的Al沉積在硅晶圓102的整個(gè)背側(cè)表面之上。在氬環(huán)繞的手套箱中的30分鐘300℃退火使在表面處的Al擴(kuò)散到硅102內(nèi)，產(chǎn)生與Al接觸的重?fù)诫sSi區(qū)。歐姆漏極觸頭101通過將20nm的Cr和40nm的Au沉積在Al層的頂部上來完成。

為了使納米管產(chǎn)生直接與硅的接觸，在硅102的前表面上用光刻法圖案化20μm寬溝槽，并使用BOE腐蝕熱氧化物103。接著經(jīng)由剝離過程在離溝槽的邊緣30μm處圖案化Cr/Au(20/30nm)源極觸頭105。

然后在溝槽之上轉(zhuǎn)移2mm寬稀釋(2nm)納米管膜104。在其它地方描述合成和轉(zhuǎn)移過程。見例如A.G.Rinzler等人的“Large-scale purification of single-wall carbon nanotubes:process,product,and characterization”(Applied Physics A Materials Science&Processing,vol.67,no.1,pp.29-37,1998)。在轉(zhuǎn)移之后，納米管膜104被圖案化到連接位于相間隔260μm處的兩個(gè)源極觸頭105的400μm寬帶內(nèi)。然后在250℃下將襯底102烘烤30分鐘以脫摻雜(dedope)納米管。

肖特基觸頭的行為受硅-納米管界面的細(xì)節(jié)影響。使用薄SiO_x層在轉(zhuǎn)移后鈍化界面。樣品被浸在稀釋BOE溶液(20:1,DI:BOE)中8分鐘以確保在納米管轉(zhuǎn)移過程期間形成的原產(chǎn)氧化物被完全移除。樣品然后在1.5AMU太陽模擬器照射下被放置在周圍環(huán)境大氣中2個(gè)小時(shí)，導(dǎo)致在納米管之下的薄SiO_x鈍化層。

接著，通過多步驟原子層沉積(ALD)過程來沉積60nm Al₂O₃柵極電介質(zhì)106。為了確保高質(zhì)量電介質(zhì)，通過蒸發(fā)3個(gè)連續(xù)子單層Al膜(每個(gè)0.5nm)并在沉積之間使樣品短暫地暴露于空氣來催化生長(zhǎng)。接著使用暴露模式ALD在90℃下使10nm Al₂O₃層生長(zhǎng)，接著在200℃下通過標(biāo)準(zhǔn)熱ALD生長(zhǎng)的50nm層。這個(gè)過程確保具有>20V的最小擊穿電壓的柵極氧化物在整個(gè)襯底之上(且特別地在納米管之上)均勻地生長(zhǎng)。只包括其后是在200℃下的標(biāo)準(zhǔn)模式過程的在90℃下的暴露模式ALD多步驟ALD過程也被發(fā)現(xiàn)給出在納米管和整個(gè)襯底之上的具有>20V的擊穿電壓的良電介質(zhì)膜。

最后，在整個(gè)溝槽之上通過剝離過程來圖案化Cr/Au(20/30nm)柵極電極107，且Al腐蝕劑用于腐蝕穿過頂柵極氧化物到源極觸頭105的通孔。在圖1C中示出完成的垂直TBT器件100。

相對(duì)于接地源極電極105來給柵極107和漏極191加偏壓，且使用Kiethley 2600源極儀表和探測(cè)臺(tái)在周圍環(huán)境大氣中在室溫下測(cè)量TBT器件100。兩個(gè)源極電極105都接觸以最小化納米管膜104的寄生串聯(lián)電阻的影響。

參考圖7A-7D，示出了說明垂直CN-TBT器件100的性能的曲線圖。圖7A示出在-0.2V的偏壓下的CN-TBT 100的晶體管操作傳遞曲線?；谔技{米管與硅溝槽重疊的面積(20μm x 400μm)來計(jì)算電流密度。對(duì)零柵極偏壓觀察到的相對(duì)高的輸出電流指示初始肖特基勢(shì)壘高度不像可能期望的一樣大，但可使用硅表面的提高的鈍化進(jìn)行優(yōu)化。在理想肖特基-莫特限制中，勢(shì)壘高度應(yīng)是大約04eV。對(duì)中等±6V柵極電壓范圍觀察的大跨導(dǎo)展示組合的柵極引起的勢(shì)壘高度降低和變薄的有效性。

圖7B-7D示出各種柵極和源極-漏極偏壓的CN-TBT 100的輸出曲線。在圖7B和7C中繪制(線性和對(duì)數(shù)標(biāo)度)0到-2V的源極-漏極偏壓范圍的輸出曲線。如圖7D所示，將柵極和偏壓范圍分別延伸到高達(dá)20V和-10V產(chǎn)生超過200A/cm²的最大接通電流密度，柵極漏電流僅每cm²10s的μA。CN-TBT器件100維持超過10⁶的接通/斷開比，而不考慮這些大操作電壓，展示它們有效地調(diào)節(jié)非常大的電流的能力。

參考圖8A和8B，示出了說明正向與反向偏壓輸出特性的比較的曲線圖。關(guān)于源極觸頭肖特基勢(shì)壘的反向偏壓是CN-TBT器件100的實(shí)際操作的重要方面。這可在圖8A的完全輸出行為中看到，圖8A示出源極-漏極和柵極偏壓分別高達(dá)|2V|和|6V|的完全輸出曲線。偏壓的范圍(在該偏壓的范圍內(nèi)，柵極可有效地調(diào)節(jié)電流)在正向偏壓狀況中非常窄。這與圖8B所示的反向偏壓模式相反，其中接通/斷開比對(duì)整個(gè)偏壓范圍保持高。圖8B描繪對(duì)大部分反向模式漏極電壓超過106的電流調(diào)節(jié)的幅度，而在正向偏壓中快速下降到100之下。此外，對(duì)正向和反向偏壓模式的幾乎相等的最大接通電流暗示當(dāng)CN-TBT器件100接通時(shí)，CNT/硅結(jié)作為良?xì)W姆觸頭來運(yùn)轉(zhuǎn)。

垂直TBT器件100還被構(gòu)建在n型硅晶圓上，導(dǎo)致n溝道晶體管，這對(duì)互補(bǔ)低功率耗散器件(例如逆變器)是重要的。圖9A示出在2V的偏壓下在n型硅(磷，ρ＝0.5Ωcm)上的CN-TBT 100的晶體管操作傳遞曲線。圖9B示出各種柵極和源極-漏極偏壓的CN-TBT 100(n型)的輸出曲線，達(dá)到分別在20V和10V的柵極和偏置電壓處的218A/cm²的最大輸出電流。

最后，描述了借助于被構(gòu)建有純半導(dǎo)電單壁碳納米管來實(shí)現(xiàn)在斷開狀態(tài)中的大阻斷電壓的垂直TBT器件100。最近幾年來在分離金屬與半導(dǎo)電納米管方面的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了商業(yè)可售的被提純到99.9％(或更好)半導(dǎo)電納米管的單壁碳納米管。對(duì)于包含金屬和半導(dǎo)電納米管的混合物的未分離的SWNT，在混合物中的金屬納米管的載流子密度絕不由于柵極場(chǎng)減小到零。在構(gòu)建有所有半導(dǎo)電納米管的垂直TBT器件中，除了對(duì)肖特基勢(shì)壘高度和寬度的柵極電壓控制以外，柵極還得到對(duì)在半導(dǎo)電碳納米管中的載流子密度的控制。在這種情況下，柵極可將納米管的費(fèi)米能級(jí)深度推到納米管帶隙內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)際上為零的載流子密度，因而提供用于使器件接通和斷開的第三機(jī)構(gòu)。半導(dǎo)電納米管還可在橫向溝道器件或所討論的其它實(shí)現(xiàn)中使用。

可調(diào)勢(shì)壘晶體管提供有效地驅(qū)動(dòng)非常大的電流并阻斷大電壓的能力，這可能在高功率應(yīng)用(例如高功率電子器件)中是有利的。在實(shí)施方式中，可調(diào)勢(shì)壘晶體管包括：無機(jī)半導(dǎo)電層；源極電極，其包括布置在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的一部分上的納米碳膜，納米碳膜形成與無機(jī)半導(dǎo)電層的源極-溝道界面；布置在源極電極的納米碳膜上的柵極介電層；以及布置在被布置為在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的一部分上的、源極電極的納米碳膜的至少一部分之上的柵極介電層上的柵極電極，其中由柵極電極產(chǎn)生的柵極場(chǎng)調(diào)制在源極-溝道界面處的勢(shì)壘高度。無機(jī)半導(dǎo)電層可以是n型無機(jī)半導(dǎo)體層或p型無機(jī)半導(dǎo)電層。由柵極電極產(chǎn)生的柵極場(chǎng)也可調(diào)制在源極-溝道界面處的勢(shì)壘寬度。

在各種實(shí)施方式中，無機(jī)半導(dǎo)電層包括晶體半導(dǎo)體。晶體半導(dǎo)體可以是單晶半導(dǎo)體。無機(jī)半導(dǎo)電層可包括硅(Si)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氮化鋁(AIN)或鉆石。在一些實(shí)施方式中，源極電極的納米碳膜包括碳納米管的稀釋網(wǎng)。碳納米管的稀釋網(wǎng)可具有按照質(zhì)量在大約0.05μg/cm²到大約1.0μg/cm²的范圍內(nèi)的納米管表面密度。碳納米管的稀釋網(wǎng)可包括具有99.9％或更好的純度的純半導(dǎo)電納米管的稀釋網(wǎng)。在實(shí)施方式中，源極電極的納米碳膜包括具有穿孔的石墨烯的薄層。

在各種實(shí)施方式中，柵極電介質(zhì)包括高k電介質(zhì)。柵極電介質(zhì)的厚度可以是大約100nm或更小。柵極電介質(zhì)可展示在大于25伏或大于10伏下的電介質(zhì)擊穿。在一個(gè)實(shí)施方式中，除了別的以外，可調(diào)勢(shì)壘晶體管還可包括布置在無機(jī)半導(dǎo)電層的與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上的漏極電極。在一些實(shí)施方式中，可調(diào)勢(shì)壘晶體管可包括布置在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的一部分上的介電層；以及布置在介電層上的源極電極的源極觸頭，其中源極電極的納米碳膜耦合到源極觸頭。柵極介電層可進(jìn)一步布置在源極觸頭上。

在各種實(shí)施方式中，可調(diào)勢(shì)壘晶體管可包括漏極電極，其包括布置在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的另一部分上的納米碳膜，漏極電極與源極電極分開一段距離。柵極介電層可進(jìn)一步布置在漏極電極的納米碳膜和在源極和漏極電極之間的溝道的至少一部分上；以及柵極電極可進(jìn)一步布置在被布置為在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的另一部分上的、漏極電極的納米碳膜的至少一部分之上的柵極介電層上。漏極電極的納米碳膜可包括碳納米管的稀釋網(wǎng)。碳納米管的稀釋網(wǎng)可包括純半導(dǎo)電納米管的稀釋網(wǎng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，漏極電極的納米碳膜包括石墨烯的薄層。在一些實(shí)施方式中，可調(diào)勢(shì)壘晶體管可包括布置在無機(jī)半導(dǎo)電層的第一側(cè)的一部分上的介電層；以及布置在介電層上的漏極電極的漏極觸頭，其中漏極電極的納米碳膜耦合到漏極觸頭。柵極介電層可進(jìn)一步布置在漏極觸頭上。在各種實(shí)施方式中，可調(diào)勢(shì)壘晶體管可包括布置在無機(jī)半導(dǎo)體層的與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上的后柵極電極。

應(yīng)強(qiáng)調(diào)，本公開的上面所述的實(shí)施方式僅僅是為了對(duì)本公開的原理的清楚理解而闡述的實(shí)現(xiàn)的可能的例子?？蓪?duì)上面所述的實(shí)施方式做出很多變化和修改，而實(shí)質(zhì)上不偏離本公開的精神和原理。所有這樣的修改和變化被認(rèn)為包括在本文中的本公開的范圍內(nèi)并由下面的權(quán)利要求保護(hù)。

應(yīng)注意，在本文中比、濃度、數(shù)量和其它數(shù)值數(shù)據(jù)可表示為范圍格式。應(yīng)理解，這樣的范圍格式為了方便和簡(jiǎn)潔而被使用，且因此應(yīng)以靈活的方式被解釋以包括不僅明確地被列舉為范圍的限制的數(shù)值，而且包括在該范圍內(nèi)包括的所有單獨(dú)數(shù)值或子范圍，好像每個(gè)數(shù)值和子范圍被明確地列舉一樣。為了說明，“大約0.1％到大約5％”的濃度范圍應(yīng)被解釋為不僅包括大約0.1wt％到大約5wt％的明確列舉的濃度，而且還包括在所指示的范圍內(nèi)的單獨(dú)的濃度(例如1％、2％、3％和4％)和子范圍(例如0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。術(shù)語“大約”可包括根據(jù)數(shù)值的有效數(shù)字的傳統(tǒng)四舍五入。此外，短語“大約“x”到“y””包括“大約“x”到大約“y””。