碳纳米管场效应晶体管在预处理PET上的沟道长度为30nm

随着柔性电路在人工智能(AI)和物联网(IoT)领域的广泛应用，对柔性电路的集成化和小型化提出了更高的要求。然而，目前报道的绝大多数柔性衬底晶体管的通道长度都是微米级，严重影响了柔性电路的集成能力。

柔性电路具有高灵活性和可扩展性、轻量化、便携性、可穿戴性、低成本、大面积兼容等特点，为传统电子领域带来了革命性的进步。柔性电路被证明在多个领域具有巨大的应用潜力，包括无处不在的智能设备、健康监测设备、人机界面和通信系统，如微处理器、微传感生物表皮系统和无线操作系统。

本文通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上制作L _ch 从2 μm到70 nm不等的p型柔性碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)来探索柔性碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)的缩放行为。宽归一化导态电流、跨导率和近恒定栅极效率的提高表明，CNTs在构建超小型柔性场效应管方面具有很大的潜力。此外，我们使用自对准顶栅结构在清洁的PET衬底上制造了具有30 nm通道长度的碳纳米管场效应管。

图1a显示了柔性自对准顶栅碳纳米管场效应管的截面图。柔性自对准顶栅碳纳米管场效应管是在预处理的PET衬底(80 μm)上制备的，衬底上覆盖3 nm厚的钛(Ti)以增加导热性，并覆盖20 nm厚的HfO2以增强与转移的碳纳米管薄膜和电极的表面粘附性。633 nm激光激发下CNTs薄膜的共振拉曼光谱(图1d)显示，径向呼吸模式过渡带为176 cm−1，表明CNTs直径约为1.4 nm。图1e显示了两种典型碳纳米管的透射电子显微镜(TEM)图像，左边直径为1.32 nm，右边直径为1.45 nm。100个CNTs的统计数据显示其直径分布较窄，为1.4±0.09 nm(图1f)。

图1 柔性PET基板上碳纳米管场效应管的制备工艺。(a)自对准顶栅碳纳米管场效应管的截面图。(b)预处理PET基材的照片。插图显示了一个1 × 1 cm ² 的PET衬底和一组柔性碳纳米管场效应管。(c)图1b中器件区域放大图。(d)碳纳米管薄膜的拉曼光谱。(e)两个直径分别为1.32 nm和1.45 nm的CNTs的TEM图像。(f)透射电镜测得的100个CNTs的直径分布。(g) V _ds = - 0.1V下循环弯曲试验前后碳纳米管场效应管的转移特性。

深层清洗过程不仅可以去除残留有机物，还可以增加表面附着力。清洗前后PET的AFM图像(图2a)显示，大部分小颗粒被去除。在未处理和处理过的PET衬底上制备Lch = 0.5 μm和Wch = 20 μm的自对准顶栅碳纳米管FET，分析PET清洁度对柔性晶体管性能的影响。两种典型的柔性碳纳米管场效应管在未经处理和处理的PET上的转移和输出特性如图2b-e所示。从图2b和图d可以看出，不同偏置下的漏电流均小于10pa。P _d 电极和CNTs之间形成孔洞欧姆接触(图2c和e)。L _ch = 500 nm的碳纳米管FET清洗PET衬底前后的I _on /W _ch 和I _on /I _off 统计结果如图2g - i所示。图2g和2h的数据表明，通过双重清洗工艺优化PET衬底可以提高整体的on-state性能。

图2 预处理衬底对自对准顶栅碳纳米管场效应管性能的影响。

我们进一步尝试构建一个由柔性衬底上的小沟道碳纳米管场效应管组成的简单电路，即五级环形振荡器(RO)。图3a显示了柔性衬底上的五级RO的SEM图像和100 nm通道长度的放大视图。如图3b所示，在V _dd = 3.9 V时，振荡频率约为174 MHz。我们进一步绘制并比较了我们的柔性碳纳米管场效应管与其他先前报道的代表性柔性晶体管的离子/波长，见图3d;其中，半导体包括CNTs、IGZO和MoS2，柔性衬底包括PET、聚对二甲苯、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亚胺(PI)。固体和空心红色启动是这项工作的结果，包括上面描述的最小的柔性碳纳米管场效应管。

图3 超小柔性碳纳米管场效应管与L _ch =30纳米清洗PET衬底。

总之，我们揭示了在柔性PET衬底上基于碳纳米管的超小型场效应管的可能性。首先，我们报告了通过双重清洗工艺优化PET衬底可以有效地将碳纳米管场效应管的导通性能提高约200%，在相同沟道长度和宽度的条件下，由于改善了接触和沟道质量，超小型柔性碳纳米管场效应管的良率(60%)。是目前报道的柔性晶体管中最小的节距尺寸。我们的工作证明了在低电压偏置下具有高性能的纳米级稳定柔性碳纳米管场效应管，这对柔性晶体管的研究具有重要意义;研究结果为柔性集成电路的小型化提供了可行的解决方案。此外，超小型柔性碳纳米管场效应管的性能水平在未来还应进一步提高。