薄膜晶体管及采用薄膜晶体管的滤波器

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管，特别涉及一种用于可重构整流的薄膜晶体管。

背景技术

随着半导体工业进入后摩尔时代，在器件水平的可重构性，即在单个晶体管中集成更多功能以实现更复杂的系统和更紧凑的逻辑门，是延续集成电路工业发展的一种很有前途的方法。

低维材料因其具有独特的几何结构、原子级平整表面和双极输运特性而被认为是构建可重构器件的理想模块。构建两个或多个独立可控的栅极已被证明是实现可重构器件的一种潜在的解决方案，例如由MoS

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种改进的薄膜晶体管以用于重构整流。

一种薄膜晶体管，其包括：一栅极；一栅极绝缘层，所述栅极绝缘层设置于所述栅极的表面；一碳纳米管结构，所述碳纳米管结构设置于所述栅极绝缘层远离所述栅极的表面；及一源极、一漏极，所述源极、漏极间隔设置，并分别与所述碳纳米管结构电连接；其中，进一步包括一界面电荷层，所述界面电荷层设置于所述碳纳米管结构和所述栅极绝缘层之间。

一种滤波器，其包括：一薄膜晶体管，所述薄膜晶体管为上述薄膜晶体管；及一电阻，所述电阻与所述薄膜晶体管串联于一电路中。

与现有技术相比，本发明提供了的薄膜晶体管具有以下优点：该薄膜晶体管具有可重构的整流行为，这是由于界面电荷可在漏极附近的肖特基势垒区起到附加栅极的作用，当双极性碳纳米管沟道通过栅极电压在p型和n型之间切换时，空穴和电子分别只能通过漏极处较窄的肖特基势垒区注入通道。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管的结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管的I-V图。

图3为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管的I-V等高线图。

图4为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在V

图5为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在V

图6为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管不同栅极电压下的I-V图。

图7为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管中源、漏极互换后的I-V等高线图。

图8为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在室温和180℃时的I-V等高线图。

图9为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在V

图10为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在+/-V

图11为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在漏极偏压下电极附近界面电荷的分布物理图。

图12为本发明第一实施例提供的薄膜晶体管在不同栅极电压下的能带原理示意图。

图13为本发明第二实施例提供的薄膜晶体管的结构示意图。

图14为本发明第三实施例提供的滤波器的结构示意图。

图15为本发明第三实施例提供的滤波器的电路图。

图16为本发明第三实施例提供的滤波器的在不同栅极电压下的整流效果图。

主要元件符号说明

薄膜晶体管 10，10A

栅极 11

栅极绝缘层 12

界面电荷层 13

碳纳米管结构 14

源极 15

漏极 16

滤波器 20

电阻 21

沟道 142

基底 17

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明提供的薄膜晶体管作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例实施例提供的一种薄膜晶体管10，该薄膜晶体管10包括一栅极11、一栅极绝缘层12、一界面电荷层13、一碳纳米管结构14、一源极15及一漏极16。所述栅极绝缘层12设置于所述栅极11的表面。所述碳纳米管结构14设置于所述栅极绝缘层12远离所述栅极11的表面。所述界面电荷层13设置于所述碳纳米管结构14和所述栅极绝缘层12之间。具体地，所述界面电荷层13直接附着于所述所述栅极绝缘层12的表面，所述碳纳米管结构14直接附着于所述界面电荷层13远离所述栅极绝缘层12的表面。所述源极15、漏极16间隔设置，并分别与所述碳纳米管结构14电连接。位于所述源极15与所述漏极16之间的所述碳纳米管结构14形成一沟道142。

所述栅极11由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、掺杂硅、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。本实施例中，所述栅极11的材料为重掺杂的硅晶片。

所述栅极绝缘层12的材料可选择为氧化铝、氧化铪、氮化硅、氧化硅等硬性材料。该栅极绝缘层12的厚度为0.5纳米～100微米。本实施例中，所述栅极绝缘层12的材料为氧化硅。

所述界面电荷层13设置于所述栅极绝缘层12和所述碳纳米管结构14之间。具体地，所述界面电荷层13是通过化学分子基团或水分子等捕获的电荷形成的界面层，该界面层附着于所述栅极绝缘层12表面。进一步，所述界面电荷层13分布于所述沟道142与所述栅极绝缘层12之间。所述界面电荷层13上的电荷的位置会随着源漏极之间的偏置电压的改变而发生变化。进一步，所述电荷的位置始终位于所述界面电荷层所在平面内。当源、漏电极极性发生改变时，所述界面电荷层13的电荷会随着电极极性的不同，聚集或者远离电极位置，电荷的移动影响了电极周围的电势分布，从而会改变电极处肖特基势垒的宽度。因此，所述界面电荷层在所述薄膜晶体管10的工作中起到自门控效应。

所述碳纳米管结构14为一维半导体纳米材料。与平面结构相比，碳纳米管结构的一维圆柱几何形状具有更大的面电容，对环境中电荷的分布更敏感。所述碳纳米管结构14包括至少一根碳纳米管。当所述碳纳米管结构14包括多根碳纳米管时，所述多根碳纳米管之间通过范德华力首尾相连紧密结合形成碳纳米管线，所述多根碳纳米管基本沿同一方向延伸。所述碳纳米管结构14中的碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管以及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。该碳纳米管的长度大于50微米。优选地，所述碳纳米管为单壁或者双壁碳纳米管，其直径为1纳米～5纳米，长度为100纳米至1毫米。所述碳纳米管是通过CVD法直接生长生成或从一碳纳米管阵列转移至目标基底上。本实施例中，所述碳纳米管结构14为单根碳纳米管。所述碳纳米管结构14从源极15伸向漏极16。

所述源极15、漏极16均由导电材料组成，该导电材料优选为金属材料。该金属材料为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。本实施例中，所述源极15、漏极16为金属Au和Ti得到的金属复合结构，具体地，所述金属复合结构是采用电子束蒸发法沉积金属Au在金属Ti的表面复合而成，其中，金属Au层的厚度为50纳米，金属Ti层的厚度为5纳米。所述源极15、漏极16与所述碳纳米管结构14之间为肖特基连接。

请参阅图2，在工作中，所述薄膜晶体管10通常表现为双极性半导体特征，但由于碳纳米管受到空气环境的掺杂，其p型沟道的导通电流高于n型沟道的导通电流。请参阅图3，根据所述薄膜晶体管10的I-V等高线图分析可知，该薄膜晶体管10是具有自门控效应的晶体管。该图以对数标度绘制I

在所述薄膜晶体管10中，由于所述碳纳米管结构14为一维几何形状，而特定的一维结构对环境电荷敏感，因此周围静电势的对称性破坏可以导致明显的不对称输出曲线。由于所述薄膜晶体管10的源、漏电极结构对称，上述自控门效应可归因于漏极和源极之间的静电电势的不对称，即偏置的漏极。所述偏置的漏极可通过两种方式产生额外的电荷：一、在漏极下方的硅栅极上静电电荷的电容感应；二、栅极绝缘层上的界面电荷。其中，所述栅极绝缘层12上的界面电荷可通过加热去除，但硅栅极上的静电荷于温度无关。请参阅图8，将所述薄膜晶体管10在室温(RT)和180℃时的I-V等高线图进行了比较，从图中可以看出，自门控现象在室温下很明显，在180℃时消失，而随着温度恢复到室温时，自门控现象恢复。因此，所述薄膜晶体管的自门控效应是由界面电荷引起的，而不是硅栅极引起的。因此，所述碳纳米管沟道附近的界面电荷可在漏极偏压作用下重新分布，导致两个肖特基触点之间不对称，从而表现为整流输出特性。

请参阅图9，图为采用开尔文探针力显微镜(KPFM)研究漏电极周围的表面电位分布，所述薄膜晶体管10的栅极电压从-20V切换到0V，其中，两个KPFM图像和相应的AFM相位图像分别为V

请参阅图12，由于采用Ti/Au制备的源、漏电极的费米能级接近碳纳米管带隙的中位，因此，在碳纳米管结构和源漏电极之间形成了两个具有相对高度的电子和空穴的对称肖特基势垒。在负栅极电压-V

请参阅图13，本发明第二实施例提供的另一种薄膜晶体管10A，该薄膜晶体管10A包括一栅极11、一栅极绝缘层12、一界面电荷层13、一碳纳米管结构14、一基底17、一源极15及一漏极16。所述碳纳米管结构14设置于所述基底17的表面。所述源极15、漏极16间隔设置，并分别与所述碳纳米管结构14电连接。所述栅极绝缘层12设置于所述碳纳米管结构14的表面。所述界面电荷层13设置于所述碳纳米管结构14和所述栅极绝缘层12之间。具体地，所述界面电荷层13直接附着于所述所述栅极绝缘层12的表面，所述碳纳米管结构14直接附着于所述界面电荷层13远离所述栅极绝缘层12的表面。所述栅极11设置于所述栅极绝缘层12的表面。

本发明第二实施例提供的薄膜晶体管10A与第一实施例提供的薄膜晶体管10基本相同，其区别在于：所述薄膜晶体管10A为顶栅型薄膜晶体管，即所述碳纳米管结构14直接设置于所述基底17的表面，所述基底17起到支撑所述碳纳米管结构14的作用。

请参阅图14，本发明第三实施例提供一种采用上述薄膜晶体管10制备的滤波器20，所述滤波器20包括一薄膜晶体管10和一电阻21，所述薄膜晶体管10与所述电阻21串联于一电路中。所述滤波器20在不同栅极电压下，可用于全通、正通和负通整流模式。

请一并参阅图15至图16，根据所述滤波器20的电路图可知，在所述漏极出施加一电压为3V的正弦波电压，在所述源极串联接的电阻21为200MΩ。当施加的栅极电压小于-10V时，如V

本发明提供的薄膜晶体管10具有以下优点：由于界面电荷可在漏极附近的肖特基势垒区起到附加栅极的作用，当双极性碳纳米管沟道通过栅极电压在p型和n型之间切换时，空穴和电子只能通过漏极处较窄的肖特基势垒区注入通道，这使得由界面电荷层形成的薄膜晶体管具有可重构的整流行为。同时，通过栅极调制使得整流在正向和反向之间切换。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。