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NEC希望在5年內(nèi)利用印刷法形成RFID標(biāo)簽
近2～3年來(lái)，電子器件國(guó)際學(xué)會(huì)上出現(xiàn)了前所未有的景象。以“碳納米管（carbon nanotube）”和“石墨烯（graphene）”為主題的會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)總是擠滿(mǎn)了器件技術(shù)人員。這些材料受到的關(guān)注源于其作為電子器件材料的出眾潛力。使用上述材料制造高性能器件并克服實(shí)用化過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)課題，類(lèi)似的嘗試與成果接連不斷。
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碳材料將成為21世紀(jì)電子領(lǐng)域的主角。超越Si-MOS FET的高速FET、能夠使用卷對(duì)卷方式制造的廉價(jià)柔性器件、超高靈敏度傳感器等開(kāi)發(fā)成果的接踵而至令人不禁產(chǎn)生了這樣的預(yù)感。使用碳材料實(shí)現(xiàn)上述魅力器件的嘗試正在源源不斷地開(kāi)展。無(wú)論在何種用途中，碳材料都能夠發(fā)揮出其他材料所沒(méi)有的特殊物性。
在各種碳材料中，碳納米管（carbon nanotube）的應(yīng)用范圍廣泛，而且開(kāi)發(fā)事例眾多（圖1）?，F(xiàn)有用途包括：（1）LSI用晶體管、（2）柔性器件、（3）LSI布線(xiàn)、（4）傳感器（注1）。對(duì)于以上用途，碳納米管都克服了長(zhǎng)期以來(lái)一直存在的技術(shù)課題，展現(xiàn)出了雄厚實(shí)力的端倪。
?。ㄗ?）此外還有發(fā)光器件、顯示器用透明電極等用途。
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圖1：在器件中發(fā)揮碳材料的物性利用碳材料各種特征的器件開(kāi)發(fā)事例層出不窮。
碳納米管的應(yīng)用范圍尤為廣泛。本站制作。
利用涂布法在柔性底板上形成FET
?。?）柔性器件用途能夠發(fā)揮碳納米管在溶劑中呈墨水狀的特點(diǎn)。因?yàn)榇祟?lèi)器件的圖案可以使用涂布法繪制。與柔性器件領(lǐng)域開(kāi)發(fā)活躍的有機(jī)材料相比，碳納米管具有兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。第一，載子遷移率高，在柔性底板上也能夠形成高速晶體管。使用涂布法的有機(jī)材料難以實(shí)現(xiàn)高于100cm2/V·s的載子遷移率，而碳納米管能夠達(dá)到這一水平。第二，特性的時(shí)間變化容易控制。
NEC正在開(kāi)展使用印刷技術(shù)在柔性底板上形成碳納米管FET的研究（圖4）。該公司于2009年2月使用“全印刷工藝”試制碳納米管FET，并對(duì)其工作情況進(jìn)行了驗(yàn)證（圖5）。包括通道在內(nèi)，器件的電極、絕緣膜等全部結(jié)構(gòu)要素均使用涂布法在塑料底板上形成。全過(guò)程的工藝溫度不到200℃。
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圖4：在柔性底板上形成碳納米管FET 碳納米管在溶液中不分解、不變質(zhì)，易于作為墨水材料使用。
圖中柔性底板上的FET只有碳納米管通道為涂布法形成。NEC數(shù)據(jù)。
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圖5：實(shí)現(xiàn)“全印刷工藝” （a）NEC成功利用涂布法形成了碳納米管FET的全部結(jié)構(gòu)要素。
（b）傳導(dǎo)型為p型、載子遷移率約為0.01cm2/V·s的器件能夠得到103的開(kāi)關(guān)比。NEC數(shù)據(jù)。
當(dāng)載子遷移率約為0.01cm2/V·s時(shí)，開(kāi)關(guān)比能夠達(dá)到103，通過(guò)控制通道部位的碳納米管密度，“高載子遷移率有望同時(shí)得到實(shí)現(xiàn)”（NEC納米電子研究所主任研究員二瓶史行）。
NEC希望在5年內(nèi)使利用印刷法形成于柔性底板的碳納米管FET達(dá)到實(shí)用水平。設(shè)想用途為RFID標(biāo)簽等。在今后，“（NEC）將對(duì)照Si芯片，對(duì)其最低制造成本進(jìn)行驗(yàn)證”（NEC納米電子研究所研究部長(zhǎng)萬(wàn)伸一）。
石墨烯與納米管分庭抗禮
在晶體管通道材料中，石墨烯（graphene）的迅速崛起對(duì)碳納米管形成了威脅。石墨材料具有可逐層分離的結(jié)構(gòu)。石墨烯成為焦點(diǎn)的原因有二。第一，載子遷移率為20萬(wàn)cm2/V·s，高于碳納米管。第二，結(jié)構(gòu)為層狀，易于作為通道材料使用。為了提高通態(tài)電流，碳納米管需要方向一致并大量排列。而石墨烯無(wú)需如此困難的制造工藝。
石墨烯通道FET潛力的發(fā)現(xiàn)者是IBM。該公司于2008年12月開(kāi)發(fā)出了截止頻率高達(dá)26GHz、柵極長(zhǎng)度為150nm的石墨烯FET。最新數(shù)據(jù)顯示，截止頻率“已經(jīng)提高到了50GHz”（該公司Avouris）。
石墨烯能夠形成于Si底板
在此之前，石墨烯FET一直面臨以下兩個(gè)基本課題。如今，所有問(wèn)題都看到了解決的希望。
第一個(gè)課題是半導(dǎo)體通道特性?xún)?yōu)化技術(shù)。石墨烯雖然在單層狀態(tài)下具備金屬特性，但理論分析顯示，“該材料在雙層化后會(huì)出現(xiàn)帶隙，具備半導(dǎo)體特性”（東京工業(yè)大學(xué)大學(xué)院理工學(xué)研究系物性物理學(xué)專(zhuān)業(yè)教授安藤恒也）（圖6）。如果把雙層石墨烯加工成細(xì)線(xiàn)（納米帶）狀，帶隙還能進(jìn)一步擴(kuò)大。借助此類(lèi)器件結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)，石墨烯FET有望實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)關(guān)比。
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圖6：石墨烯的潛力備受關(guān)注（a）富士通研究所對(duì)于石墨烯FET工作速度的蒙特卡洛模擬實(shí)驗(yàn)。
（b）雙層化能夠使帶隙擴(kuò)大0.1～0.2eV。富士通研究所數(shù)據(jù)，注解為本站添加。
另一個(gè)課題是在Si底板上形成石墨烯通道的技術(shù)。在過(guò)去，石墨烯的形成方法一般是利用熱處理改變SiC底板表面的原子排列。2008年，日本東北大學(xué)電氣通信研究所教授尾辻泰一等人的小組開(kāi)發(fā)出了令SiC層在Si底板上外延生長(zhǎng)，使其表面石墨烯化的方法。具體方法是在｛110｝面的Si底板上，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的MBE（分子束外延）法，使晶格與該底板匹配的3C-SiC｛111｝層外延生長(zhǎng)。然后通過(guò)高溫退火改變SiC層表面的原子排列，形成石墨烯。該小組已經(jīng)利用這種方法在Si底板上形成了通道長(zhǎng)度為20μm的石墨烯FET，并對(duì)n型晶體管的工作情況進(jìn)行了確認(rèn)（圖7）。
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圖7：在Si底板上形成石墨烯FET 假設(shè)途徑SiC緩沖層的漏電流（IGS和IGD）為已知條件計(jì)算出的通道電流。
CREST小組數(shù)據(jù)，東北大學(xué)教授尾辻泰一任該小組代表。
