luận văn thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu ứng trường (fet) sử dụng ống nano carbon

1


















LUẬN VĂN THẠC SĨ

HOÀNG HẢI LIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA CÁC ĐẶC TÍNH
ĐIỆN CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET)
SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON

Đ
Ạ
I H
Ọ
C QU
Ố
C GIA HÀ N
Ộ
I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đ
Ạ
I H
Ọ
C QU
Ố
C GIA TP H
Ồ
CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

2
LỜI MỞ ĐẦU
Sau một thời gian nghiên cứu sự phát triển của ngành chế tạo vi mạch tích hợp,
năm 1965 tiến sĩ Gordon E.Moore đã công bố bài báo “Cramming more components

onto integrated circuits” (tạp chí Electronics 19/4/1965). Trong bài báo của mình TS.
Moore đã đưa ra dự đoán về sự phát triển của ngành chế tạo vi mạch và có một dự
đoán nổi tiếng cho đến những năm gần đây: “Khi mật độ transistor, phần tử cơ bản
trên một chip của mạch tổ hợp, tăng lên thì giá thành của mạch giảm xuống. Cứ sau 18
tháng thì mật độ đó lại tăng lên gấp đôi và giá thành của mạch giảm đi khoảng một
nửa” [17]. Những transistor theo xu hướng này chủ yếu được chế tạo dựa trên công
nghệ bán dẫn silicon.
Nhưng trong thời gian gần đây kích thước transistor chế tạo dựa trên công nghệ
bán dẫn silicon đã gần như đạt tới mức nhỏ nhất, tiếp cận các hạn chế về vật lí của linh
kiện khi chế tạo dựa trên nền vật liệu silicon. Do đó nhiều nghiên cứu đã và đang được
tiến hành nhằm đưa ra các giải pháp hiệu quả nhất trong việc tiếp tục thu nhỏ kích
thước của transistor, và một trong các giải pháp là chế tạo các transistor dựa trên các
vật liệu mới, có tính chất ưu việt hơn silicon trong việc thu nhỏ kích thước linh kiện.
Với cấu trúc đặc biệt cùng các tính chất điện, cơ ưu việt, ống nano carbon được
đánh giá là vật liệu tiềm năng của thế kỷ 21. Từ lúc phát hiện vào năm 1991 đến nay,
ống nano carbon (carbone nanotubes- CNTs) được chú trọng nghiên cứu và đưa vào
ứng dụng một cách mạnh mẽ trong nhiều ngành khoa học, trong đó việc nghiên cứu,
chế tạo các transisitor dựa trên CNTs đã và đang nhận được rất nhiều quan tâm bởi các
nhà khoa học.
Phương pháp chế tạo transistor sử dụng ống nano carbon được đánh giá là công
nghệ hứa hẹn, thay thế silicon khi linh kiện vi mạch chạm đến mức giới hạn kích
thước vật lý trong 10-15 năm tới.
Để tiếp nối các nghiên cứu trên và bước đầu tìm hiểu một cách có hệ thống về
công nghệ chế tạo, ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo đến các thông số
đặc trưng của transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon, mục tiêu của luận
văn Thạc sỹ này là: “Thiết kế, chế tạo và kiểm tra các đặc tính điện của transistor hiệu
ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon”. Đề tài được thực hiện, sử dụng các thiết
bị chế tạo và đo đạc tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM.
Nội dung nghiên cứu được trình bày trong các phần chính sau:
 Chương 1 – Tổng quan

- Giới thiệu tổng quan về cấu trúc, các tính chất đặc trưng, các ứng dụng
thực tế của ống nano carbon.
- Giới thiệu sơ lược về transistor hiệu ứng trường (MOSFET).
- Giới thiệu về transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon
(CNTFET).
 Chương 2 – Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
3
- Giới thiệu vật liệu và thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo và khảo sát
CNTFET.
- Trình bày các phương pháp nghiên cứu chế tạo CNTFET.
 Chương 3 – Chế tạo CNTFET
- Trình bày chi tiết các bước chế tạo CNTFET
 Chương 4 – Đo đạc
- Khảo sát, đánh giá qui trình chế tạo CNTFET.
- Kiểm tra đặc tính điện của sản phẩm CNTFET tạo thành.
 Kết luận
- Đánh giá kết quả đạt được.
- Hướng phát triển của đề tài.



4
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Ống nano carbon
1.1.1. Tổng quan ống nano carbon
Carbon là nguyên tố cơ bản và quan trọng nhất trong tự nhiên. Carbon có thể liên
kết với chính nó hoặc các nguyên tố khác trong ba kiểu lai hóa orbital. Điều này tạo
nên sự đa dạng trong cấu trúc carbon cùng nhiều tính chất đặc biệt, khiến carbon trở
thành một nguyên tố cơ bản trong hóa học hữu cơ và sự sống. Từ những cấu trúc đã

được biết đến từ nhiều thế kỷ trước là than chì (graphite) và kim cương (diamond) đến
các cấu trúc nano mới được khám phá gần đây như Fullerene C60, ống nano carbon
(carbon nanotubes), sợi nano carbon đã mang đến nhiều ứng dụng trong công nghiệp
và thương mại.
Cho đến ngày nay, đã có một cấu trúc phi tinh thể (vô định hình) và bốn nhóm cấu
trúc tinh thể của carbon được phát hiện.

Hình 1.1: Một số cấu trúc của carbon
(a) Kim cương; (b) Than chì; (c) Lonsdaleite;
(d)(f) Cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70);
(g) Vô định hình; (h) Ống nano carbon

Vào năm 1985, Smalley cùng các cộng sự khám phá ra một cấu trúc mới của
carbon bên cạnh các cấu trúc đã biết trước đây. Đó là các Buckminster fullerene C60,
gọi tắt là Fullerene, có cấu trúc khối cầu gồm 60 nguyên tử carbon liên kết thành các
vòng lục giác và ngũ giác.
Trước năm 1991, đã có nhiều khám phá về một loại cấu trúc có chiều dài lớn (cỡ
nhiều micro) và đường kính bé (chỉ vài nano). Lúc đầu, nó chỉ được xem như là cấu
trúc một chiều của các fullerene. Vào năm 1991, cấu trúc cơ bản và tính chất đặc trưng
của loại vật liệu mới này được Sumio Ijima công bố lần đầu tiên [19]. Khi nghiên cứu
tổng hợp fullerene bằng phương pháp hồ quang điện với xúc tác kim loại, Ijima tìm
thấy rất nhiều cấu trúc graphite bám tại tâm điện cực bao gồm các hạt nano và các ống
rất đặc biệt có đường kích ngoài cùng từ 4 – 30nm và chiều dài cỡ 1µm. Bởi vì các
ống này có cấu trúc gồm nhiều lớp vỏ là các tấm carbon graphite, cuộn lại theo hình
xoắn ốc, đường kính ngoài cùng ở kích thước nano nên Ijima gọi các ống này là ống
nano đa vách (Multi-wall nanotubes, MWNTs).

Hình 1.2: Ảnh điện tử của các ống micro nhiều vách graphite [5]
(a) ống 5 tấm, đường kính 6,7 nm; (b) ống 2 vách, đường kính 5,5 nm;
(c) ống 7 tấm, đường kính 6,5 nm, đường kính bên trong nhỏ nhất là 2,2 nm

5
Đến năm 1993, ống nano đơn vách (single-wall nanotubes, SWNTs) được tìm ra.
Đây là các ống chỉ do một tấm graphite cuộn tròn lại, có đường kính từ 0,4 đến 3 nm,
chiều dài chừng vài µm.

Hình 1.3: Ảnh TEM của ống nano đơn vách (SWCNTs)
1.1.2 Cấu trúc ống nano carbon
Về bản chất, ống nano carbon là một hay nhiều tấm graphite cuộn tròn lại
thành dạng các ống nano, có đường kính từ 1 nm (đối với ống đơn vách) đến 30 nm
(với ống có nhiều vách), chiều dài khoảng từ 1 µm trở lên, và khoảng cách giữa các
vách graphite từ 0,34 – 0,36 nm.
Cấu trúc của ống nano được xác định bởi vector chiral Ch và góc chiral θ.
Vector chiral được cho bởi công thức sau:
Ch=na1+ma2
Trong đó, số nguyên n và m là các tham số của vector chiral, diễn tả số bước dọc
theo các liên kết chữ chi (zig-zag) của carbon trong mặt lục giác, a1và a2 là các vector
đơn vị (hình 1.4).
Cấu trúc ống hình thành bằng cách cuộn tấm graphite dọc theo vector Ch, còn góc
chiral θ sẽ xác định độ xoắn của ống.

Hình 1.4: Các giá trị khác nhau của vector chiral và góc chiral trên tấm graphite

Tùy thuộc vào góc chiral θ mà các dạng khác nhau của CNTs được xác định:
- Nếu θ = 0
o
(n = 0 hoặc m = 0), ống “zig - zag”
- Nếu θ = 30
o
(n = m), ống “armchair”

- Nếu θ = 0
o
– 30
o
(n ≠ m), ống “chiral”
Đường kính d của ống nano được cho bởi công thức:
d=Lπ
trong đó:
 L là chiều dài vector chiral:
L=Ch=an2+m2+nm
 a = 2,49Å, là chiều dài một cạnh của graphite.

Hình 1.5: Ống nano carbon (a) zig – zag; (b) chiral; (c) armchair

Ngoài ra, các tham số chiral cũng cho biết tính chất điện tử của ống nano carbon.
Các ống nano carbon có thể hoặc là kim loại, hoặc là bán dẫn phụ thuộc vào hai tham
số m và n.
Một ống nano sẽ là kim loại khi tỷ số (m-m)/3 là số nguyên, còn lại tất cả đều là
chất bán dẫn.

6
Hình 1.6: Tính chất dẫn điện của ống nano carbon theo vector chiral

1.1.3. Các tính chất của ống nano carbon
 Tính chất điện tử
Các đặc tính điện học của ống nano carbon được chú ý nhiều nhất trong các
nghiên cứu và ứng dụng của ống nano carbon. Với kích thước cực kỳ nhỏ và tính đối
xứng cao khiến CNTs có những hiệu ứng lượng tử đặc biệt cùng các đặc tính điện tử,
từ học và quang học khác thường. Các tính toán lý thuyết ban đầu và thực nghiệm sau
đó cho thấy nhiều tính chất điện tử lạ thường trong CNTs, ví dụ như cấu trúc lượng tử

trong hai loại ống nano carbon, tính chất kim loại và bán dẫn của ống nano đơn vách.
Ống nano carbon có thể hoặc có tính chất kim loại hoặc là chất bán dẫn phụ thuộc
vào vector chiral và đường kính ống nano nhưng không phụ thuộc vào chiều dài ống.
Trong ống nano carbon đơn vách, nếu hệ số (m – n) chia hết cho 3 thì đó là kim loại
(chiếm khoảng 1/3), có độ rộng vùng cấm là 0eV; còn lại là chất bán dẫn với độ rộng
vùng cấm ~ 0,5 eV. Đối với ống nano carbon đa vách thì phức tạp hơn nhiều do từng
ống bên trong sẽ có tính chất điện tử và độ dẫn điện khác nhau. Nhưng theo nhiều kết
quả nghiên cứu thực nghiệm thì ống nano carbon đa vách sẽ có độ dẫn điện khá cao
với một hiệu điện thế thấp. Do đó, ống nano carbon đa vách được xem là vật liệu kim
loại điển hình.
Hầu hết kết quả thực nghiệm cho thấy, ống nano carbon có độ dẫn điện rất cao,
một SWCNT có độ dẫn điện cao hơn các polymer dẫn, với suất điện trở là 10
-4
Ω.cm.
[4] Còn mật độ điện tử của một ống nano carbon kim loại sẽ cao gấp 1.000 lần so với
kim loại thông thường, khi đó, mật độ dòng điện tối đa khoảng 10
13
A/m
2
.

 Tính chất quang và quang điện
Các ống nano carbon đơn vách với cấu trúc vùng năng lượng rất phù hợp cho
nhiều ứng dụng quang học và quang điện. Phổ quang học của SWCNTs có vùng phổ
từ tử ngoại đến gần hồng ngoại. Do có đặc tính phát xạ quang điện và quang dẫn nên
có thể ứng dụng trong các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của
SWCNTs. [4][5]
Mặc khác, các tính chất điện tử và quang học của ống nano carbon cũng liên quan
chặt chẽ đến các ảnh hưởng cơ học, hóa học, nhiệt và từ trường.

 Tính chất cơ học
Từ khi được khám phá, ống nano carbon đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa
học và nghiên cứu do có độ bền và độ cứng rất cao mà lại có mật độ khối cùng tính
biến dạng thấp. Các tính toán lý thuyết và phép đo thực nghiệm đều cho thấy CNTs có
độ cứng tương tự hoặc hơn cả kim cương. Cho đến thời điểm này, ống nano carbon là
vật liệu có độ cứng, ứng suất Young và sức căng cơ học lớn nhất mà loài người tìm ra.
7
Tính chất cơ học của ống nano carbon không phụ thuộc vào độ xoắn chiral nhưng
phụ thuộc vào đường kính của ống. Độ cứng lớn nhất của một ống nano carbon đơn
vách có đường kính từ 1 đến 2 nm vào khoảng 1 TPa, còn ống nano carbon đa vách thì
lớn hơn, vào khoảng 1,1 đến 1,3 TPa. [4]
Bảng 1.1: Một số tính chất cơ học của hai loại ống than nano
Ứng suất Young (GPa) Độ cứng (Gpa) Tỷ trọng (g/cm
3
)
MWCNT
1.200 ~ 150 2,6
SWCNT
1.000 75 1,3

 Tính chất từ và điện từ trường
Giống như vật liệu graphite, ống nano carbon có mật độ điện tử phát xạ cao và ổn
định, hiện đang là một nguồn phát xạ trường được chú ý trong nhiều ứng dụng điện tử.

 Tính chất hóa học
Ống nano carbon có độ nhạy cao đối với các tương tác hóa học và môi trường,
được ứng dụng trong sinh học và hóa học. Những tính chất hóa học được chú ý như
mạch hở, phản ứng tráng kim, chất độn, chất gia cường, chất hấp phụ, vận chuyển hạt
mang điện, chất phụ gia được ứng dụng nhiều trong các cảm biến, thiết bị lọc, đầu dò,
dự trữ năng lượng và điện tử.

 Tính chất nhiệt học
Than chì và kim cương là vật liệu có khả năng giữ nhiệt và dẫn nhiệt tuyệt vời.
Ống nano carbon cũng có tính chất nhiệt học tương tự khi ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt
độ cao nhưng khi ở nhiệt độ thấp thì xảy ra sự lượng tử hóa của phonon, khiến tính
chất nhiệt học của CNTs rất đặc biệt.
Độ dẫn nhiệt của ống nano đa vách khoảng từ 1.800 đến 6.000 W/m.K, và hơn
3.000 W/m.K đối với ống nano đơn vách. Còn độ bền nhiệt của các ống nano carbon
lên tới 2.800
o
C ở chân không và khoảng 750
o
C trong không khí. [4]

1.1.4. Các ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử
Các tính chất đặc biệt về cơ học, điện tử, quang học và nhiệt học của ống nano
carbon được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, quang học và cơ học. Ở đây
chỉ đề cập đến các ứng dụng nổi bật nhất của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử.

 Các cảm biến ống nano carbon
Do có đặc tính nhạy cảm với các tương tác hóa học và môi trường mà ống nano
carbon được ứng dụng trong các linh kiện cảm biến với kích thước chỉ cỡ vài
micromet.
Độ trở kháng điện tử của một ống nano carbon đơn vách bán dẫn sẽ thay đổi đột
ngột khi bị hấp thụ khí, điều này rất hữu ích trong các cảm biến hóa học. Khi đó, các
8
sợi SWNT nằm giữa hai điện cực và sự thay đổi của điện trở sẽ tương ứng với tương
tác giữa phân tử khí với ống nano carbon.

 Đầu dò ống nano carbon

Hiệu suất của thiết bị kính hiển vi đầu dò phụ thuộc vào kích thước và hình dạng
đầu tip. Với kích thước nano, đường kính nhỏ và hệ số tỷ lệ cao khiến đầu dò CNT rất
được chú ý trong nhiều ứng dụng quan trọng. Đặc biệt đầu dò CNT rất bền về cơ học
nên có thể sử dụng trong một thời gian dài.

Hình 1.7: Ảnh SEM của một đầu dò CNT gắn trên thanh cantilever

Đầu dò CNT được dùng trong các đầu ghi đĩa chất lượng cao, đầu đọc ổ cứng, đầu
dò kính hiển vi lực hạt nhân (AFM), thiết bị vi khắc (lithography), đầu dò siêu nhạy
trong hóa học và sinh học,…

 Làm dây dẫn nano trong các linh kiện và mạch điện tử
Ta có thể tổng hợp ống nano carbon làm dây dẫn với độ dài cỡ một micromet với
đường kính vài micromet, chúng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có tính ổn định rất cao. Ta
có thể nhìn và thao tác bằng các kính hiển vi nguyên tử AFM, STM, đồng thời cũng có
thể tạo ra các tiếp điểm với các điện cực kim loại khác nhau. Ống nano carbon, đặc
biệt là ống nano carbon đơn vách, được xem là vật liệu lý tưởng cho các linh kiện điện
tử cỡ nanomet.

 Các linh kiện điện tử sử dụng ống nano carbon
- Làm transistor CNTFET dựa trên cơ sở cấu hình MOSFET: nhờ ở dạng hình
ống các electron tự do trong ống có thể dẫn điện nhưng ít chịu sự tán xạ, người ta hay
gọi cơ chế dẫn này là kiểu dẫn đường đạn đạo (ballistic conduction). Sự tán xạ electron
là nguyên nhân gây ra sự suy giảm dòng điện và làm sản sinh ra nhiệt trong vật liệu
dẫn điện như ở trong chất bán dẫn hay kim loại. Ống nano carbon có khả năng tải điện
hữu hiệu nhờ ít sinh ra nhiệt. Hình 1.8 biểu thị sơ đồ của một CNTFET sử dụng ống
nano carbon có cực cổng điều khiển ở mặt sau.

Hình 1.8: Sơ đồ CNTFET có cực cổng điều khiển ở phía sau
- Ta có thể chế tạo bộ nhớ với việc tạo các ống nano carbon song song, chiều

dọc và chiều ngang vuông góc với nhau. Với việc đặt các điện thế điều khiển xác định,
có thể tạo được các linh kiện chuyển mạch tại các chốt giao nhau. Các chốt này có thể
tạo nên các chuyển mạch ở trạng thái đóng hay mở.
- Dùng để chế tạo các chuyển tiếp p-n và bộ nhớ.

1.2. Transistor hiệu ứng trường (FET)
9
1.2.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản
Hoạt động của transistor trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, nghĩa là độ
dẫn diện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển. Dòng điện
trong transistor trường do một loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống hoặc điện tử.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của transistor trường là dòng điện đi qua một môi
trường bán dẫn có tiết diện thay đổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp
bán dẫn đó. Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán
dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó. Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn
diện.
Transistor trường có ba chân cực: cực Nguồn (S - source), cực Cửa (G - Gate), cực
Máng (D - Drain).
- Cực Nguồn (S): là cực mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng
điện nguồn I
s
.
- Cực Máng (D): là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số dời khỏi kênh.
- Cực Cửa (G): là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh.

1.2.2. Phân loại
Transistor trường có hai loại chính là: [2]
- Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N hay gọi là transistor trường
mối nối (Junction field effect transistor – JFET)
- Transistor có cửa cách điện (Insulated-gate filed transistor – IGFET). Thông

thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên còn gọi là metal-ocide-semiconductor
transistor (MOSFET). Có 2 loại MOSFET:
 MOSFET kênh sẵn
 MOSFET kênh cảm ứng

1.2.3. Transistor trường loại cực cửa cách ly (IGFET)
Đây là loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện bằng một lớp
cách điện mỏng. Lớp cách điện thường dùng là chất oxit nên ta thường gọi tắt là
transistor trường loại MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).

 MOSFET kênh sẵn
a. Cấu tạo
MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET
- DMOSFET). Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor mà khi chế tạo
người ta chế tạo sẵn kênh dẫn.

Hình 1.9: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P [2]

b. Nguyên lý hoạt động
10
Transistor loại MOSFET kênh sẵn có hai loại: kênh loại P và kênh loại N.
Nguyên lý làm việc của hai loại transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực
tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau.
Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên
U
s
=0. Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S.
Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực
nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện I
D

trong mạch cực máng. Còn
điện áp đặt trên cực Cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn
hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của MOSFET [2]
a. MOSFET kênh sẵn loại P
b. MOSFET kênh sẵn loại N

- Xét khả năng điều khiển của MOSFET kênh sẵn loại P (hình 1.10a)
Khả năng điều khiển dòng điện I
D
của điện áp trên cực của U
DS
chính là đặc tuyến
truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện I
D
với điện
áp U
GS
, ta có hàm sau:
I
D
= f(U
GS
) khi U
DS
= const
Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một
điện áp trên cực máng U
DS

= U
DS1
< 0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên
cực cửa U
GS
theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi U
GS
= 0 thì dưới tác dụng của
điện áp U
DS
các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện I
D
.
Nếu U
GS
< 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh
tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh I
D
tăng lên. Chế độ
làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn.
Nếu U
GS
> 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm
xuống, độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh I
D
giảm xuống. Chế độ
làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn. Mối quan hệ này được thể hiện ở hình 1.11a.

- Xét họ đặc tuyến ra (hay quan hệ giữa dòng điện I
D

và điện áp U
DS
)
I
D
= f(U
DS
) khi U
GS
= const

Hình 1.11: Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P [2]
a) Họ đặc tuyến điều khiển I
D
=f(U
GS
) khi U
DS
không đổi
b) Họ đặc tuyến ra I
D
=f(U
DS
) khi U
GS
không đổi

Hình 1.11b thể hiện họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P. Đây là các đường
biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện I
D

với điện áp U
DS
ứng với từng giá trị của điện
áp U
GS
khác nhau.
11
Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp U
DS
= 0V thì dòng điện qua kênh I
D
= 0, do đó
đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ. Điều chỉnh cho U
DS
âm dần, với trị số còn nhỏ thì
dòng điện I
D
tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp U
DS
và mối quan hệ này
được tính theo định luật Ohm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến.
Khi điện áp U
DS
đạt tới trị số bão hòa (U
DSb.h
) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới
một trị số gọi là dòng điện bão hòa I
Db.h
.

Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N bị
phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, nên U
DSb.h
còn được gọi là điện áp
“thắt”.
Nếu cho UDS>UDSb.h thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa
I
Db.h
. Đồng thời tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng manh về phía cực máng, làm cho
chiều dài của phần kênh bị “thắt” lên.
Độ chênh lệch của điện áp ∆UDS=UDS-UDSb.h được đặt lên đoạn kênh bị “thắt”
và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn
kênh bị “thắt” không thay đổi, do vậy dòng I
Db.h
giữ không đổi. Ta có vùng dòng điện
I
D
bão hòa.
Trường hợp nếu đặt U
DS
quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N ở
phía cực máng, dòng điện I
D
tăng vọt. Lúc này transistor chuyển sang vùng đánh
thủng.
Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả hai chế độ
(chế độ nghèo và chế độ giàu hạt dẫn).

 MOSFET kênh cảm ứng
a. Cấu tạo

Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu
(Enhancement -Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET). Khi chế tạo MOSFET kênh
cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn.

Hình 1.12: Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng [2]

b. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc của loại kênh P và kênh N giống nhau chỉ khác nhau về cực
tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực. Trước tiên, nối cực nguồn S với đế và
nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn.
- Tạo kênh dẫn và khả năng điều khiển của transistor
Ví dụ: ta trình bày nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng loại P.
Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện U
GS
<0, còn
U
DS
<0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên
dòng điện.
Khi ta đặt một điện áp lên cực cửa âm hơn so với cực nguồn (U
GS
<0) đến một giá
trị gọi là điện áp ngưỡng (ký hiệu là U
GSth
) thì một số lỗ trống được hút về tạo thành
12
một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn S
với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành.

Hình 1.13: Sự hình thành kênh dẫn của MOSFET loại P [2]

Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường, cực máng các lỗ trống sẽ di
chuyển từ cực nguồn qua kênh về cực máng tạo nên dòng điện trong transistor I
D
.
Tiếp tục cho U
GS
càng âm hơn, nghĩa là UGS>UGSth, thì lỗ trống được hút về
kênh càng nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh cũng tăng lên.
- Họ đặc tuyến ra:

Hình 1.14: a – Sơ đồ nguyên lý của MOSFET kênh cảm ứng P [2]
b – Họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại P

Họ đặc tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện I
D
và điện áp U
DS
. Trong sơ
đồ mắc cực nguồn chung thì I
D
là dòng điện ra và điện áp U
DS
là điện áp ra, ta có hàm
biểu thì mối quan hệ này:
I
D
=f(U
DS

) khi U
DS
giữ không đổi
Điên áp đặt lên cực cửa yêu cầu phải đủ lớn để kênh dẫn đã được hình thành. Sau
đó, tat hay đổi điện áp U
DS
và theo dõi sự thay đổi của dòng I
D
theo điện áp U
DS
. Ta có
sơ đồ mạch nguyên lý đấu nối MOSFET kênh P mô tả trong hình 1.14a.
Xét đường cong đặc tuyến ra ứng với trị số U
GS
<0, ví dụ U
GS4
như trong hình
1.14b, ta thấy: Nếu U
DS
=0, thì các lỗ trống không chuyển động về cực máng nên dòng
I
D
=0

1.3. Transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET)
1.3.1. Giới thiệu CNTFET
Sự ra đời của transistor năm 1947 đã phần nào giải quyết được vấn đề tiêu hao
năng lượng trong hầu hết các thiết bị điện tử được thiết kế theo công nghệ bóng chân
không [21]. Transistor cũng là những viên gạch làm nên nhân của tất cả các bộ vi xử lý
mà chúng ta từng biết. Số lượng transistor trong bộ vi xử lý càng lớn, tốc độ xử lý

càng tăng.
Năm 1961, hai kỹ sư điện tử người Mỹ là Jack Kilby và Robert Noyce, đã tạo ra
chip silicon [22]. Sáng chế này đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ điện tử theo
xu hướng “nhỏ” hóa mọi thứ, đồng thời đặt tiền đề cho sự phát triển của ngành máy
tính hiện đại, tác động lớn đối với cuộc sống của con người trong hơn nửa thế kỷ qua.
Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các đế silic. Những công ty lớn
như đã dự tính giảm kích thước của vi mạch điện tử xuống còn khoảng 10nm. Tuy
nhiên, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước
13
nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron. Ngoài
ra, tốc độ xử lý dữ liệu của máy tính ngày càng tăng nhưng vẫn chỉ có thể tiến tới một
mức nhất định vì những giới hạn của silicon, trong đó có vấn đề tỏa nhiệt. Do đó, các
nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, con người có thể tạo được được vật liệu có
thể thay thế silicon.
Sự xuất hiện của ống nano carbon đã mở ra hy vọng cho ngành điện tử vượt qua
rào cản này. Ống nano carbon đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn vào trong
các mạch điện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử nhờ cấu trúc và các tính
năng đặc biệt của mình.
Cấu trúc transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn gọi tắt
là CNTFET (Carbon Nanotube Field-Effect Transistor) lần đầu tiên được giới thiệu
vào năm 1998 [13]. Đến nay sau hơn 10 năm tồn tại và phát triển CNTFET đã có
những bước tiến đáng kể về cấu trúc, hiệu năng và là một trong những cấu trúc hứa
hẹn sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong việc giảm kích thước của transistor trong tương lai
gần.

1.3.2. Cấu trúc của CNTFET
Hầu hết các cấu trúc CNTFET đều sử dụng: [13]
- Bán dẫn ống nano carbon đơn vách (SWCNT) làm kênh dẫn. Hai đầu ống
nano carbon sẽ tiếp xúc với cực nguồn (S-Source) và cực máng (D-Drain).
- Điện cực cổng (G-Gate) điều khiển tính chất dẫn của kênh dẫn SWCNT.

 CNTFET cổng sau (back-gated CNTFET)
Linh kiện CNTFET cổng sau có cấu trúc tương đối đơn giản, bao gồm một ống
nano carbon đơn vách hoạt động như kênh dẫn, ống nano này được đặt trên đỉnh của
hai điện cực làm bằng kim loại quí (vàng hoặc platin), có chức năng như hai điện cực
nguồn và máng. Đế Silic được dùng như điện cực cổng, được ngăn cách với ống nano
và hai điện cực kim loại bằng một lớp SiO
2
dày 100 – 200nm.
Đặc điểm của CNTFET cổng sau: [3]
- Dòng điều khiển thấp
- Độ dẫn thấp (g=10
-6
S)
- Điện trở tiếp xúc lớn (> 1MΩ)
- Tần số hoạt động thấp
Cấu trúc CNTFET cổng sau là cấu trúc đầu tiên của CNTFET.

Hình 1.15: Cấu trúc CNTFET cổng sau [3]

 CNTFET cổng trên (top-gated CNTFET)
Cấu trúc CNTFET cổng trước được chế tạo bằng cách gieo ống nano carbon đơn
vách trên một chất nền đã được oxy hoá. Cực nguồn và cực máng được chế tạo ở đầu
14
cuối bên trên ống nano. Một màng mỏng chất điện môi cổng dày từ 15-20nm được đặt
tại nhiệt độ 300
o
C qua quá trình lắng đọng bay hơi hoá học (CVD). Trên lớp điện môi
tạo điện cực cổng.
Đặc điểm của CNTFET cổng trên: [3]

- Dòng điều khiển cao hơn nhiều
- Độ dẫn (3.35µS trên một ống nano carbon)
- Điện trở tiếp xúc giảm.
- Điện áp ngưỡng thấp hơn đáng kể so với cấu trúc cổng sau.


Hình 1.16: Cấu trúc CNTFET cổng trên [3]

 CNTFET thẳng đứng (Vertical CNTFET)
Cấu trúc CNTFET thẳng đứng do Hoenlein đề nghị. [13]
Trong cấu trúc này, mỗi ống nano carbon được tiếp xúc điện với cực nguồn bên
trên, cực máng bên dưới và cực cổng bao quanh ống. Mỗi giao điểm của cực nguồn và
máng với một ống nano carbon đơn vách thẳng đứng tương ứng với một transistor.
Ống nano carbon làm kênh dẫn có đường kính 1nm, chiều dài 10nm. Cực cổng
đồng trục và lớp điện môi cực cồng dày 1nm.

Hình 1.17: Cấu trúc CNTFET thẳng hang

Đặc điểm của CNTFET thẳng đứng: [13]
- CNT mọc thẳng đứng dễ dàng hơn nhiều so với việc phát triển và liên kết theo
chiều ngang.
- Các kết nối 3D có thể được sử dụng trong cấu hình theo chiều dọc.
- Kích thước CNTFET rất nhỏ, tương đương đường kính ống nano carbon.
- Cho phép mật độ đóng gói cao.
- Tần số hoạt động cao tương đương mức THz.

1.3.3. Nguyên lý hoạt động của CNTFET
Nguyên lý hoạt động cơ bản của CNTFET giống như của MOSFET, các điện từ
được cung cấp bởi cực nguồn, cực máng sẽ thu điện tử. Nói cách khác, dòng điện sẽ
chảy từ cực máng tới cực nguồn. Cực cổng sẽ điều khiển mật độ dòng điện trong kênh

dẫn của transistor và transistor sẽ ở trạng thái ngắt nếu điện áp cổng không được cung
cấp. [3]

1.3.4. Một vài ứng dụng điển hình của CNTFET
- CNTFET được sử dụng trong các mạch logic

15
Hình 1.18: Đường đặc trưng vào ra của một cổng đảo dùng CNTFET [3]


Hình 1.19: Kết hợp số lẻ các cổng đảo và dẫn ra ngược lại ngõ vào
thu được mạch dao động vòng [3]

- CNTFET ứng dụng trong bộ nhớ

Hình 1.20: Một tế bào SRAM đơn giản được làm bằng CNTFET
nhờ nối chéo nhau với hai điện trở ngoài [3]

- Ứng dụng CNTFET để làm các biosensor.
Chương 2
THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu, dụng cụ và thiết bị
2.1.1. Vật liệu
- Dichloroethane (C
2
H
4
Cl
2
)

- Acetone ((CH
3
)
2
CO)
- Isopropanol
- Nước DI
- Dung dịch piranha:
Pha dung dịch H
2
0
2
và dung dịch H
2
SO
4
(97%) theo tỉ lệ 1:3
H
2
0
2
1 : 3 H
2
SO
4
- BHF ( buffered HF, 1:7)
- Khí Nitrogen
- Bia Platin (Pt) 99,99%, Titan (Ti) 99,99%, Nhôm (Al) 99,99%
- Photoresist 907/17
- N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)

- Tetra methyl ammonium hydroxide – TMAH ((CH
3
)
4
NOH)
- Hexa methyl disilazane (HMDS)
- Wafer Silic (Si)
- SWCNT (Ống nano carbon đơn vách)
 Đường kính ống: 0.8nm
 Chiều dài: 900nm
 Chirality (6,5)
 Lượng carbon > 90%
 Lượng SWCNT: 80%

2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thực nghiệm
16
- Cân điện tử
- Máy siêu âm (Branson 1510)
- Máy li tâm (Rotina 38)
- Bếp nung, tủ sấy
- Máy quay cơ (Spinner – Delta 6 RC TT)
- Máy nung (Delta 6 HP TT)
- Máy quang khắc (Mask Aligner – MJB4)
- Thiết bị phún xạ (Sputtering – Univex 350)
- Thiết bị bốc bay chùm điện tử (Electron beam)
Các thiết bị trên thuộc Phòng thí Nghiệm công nghệ nano – Đại Học Quốc Gia TP.
Hồ Chí Minh.


a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h )

i)

j)
Hình 2.1: Các trang thiết bị thực nghiệm
a) Cân điện tử; b) Máy li tâm; c) Máy siêu âm; d) Bếp nung;
e) Máy quay cơ; f) Máy nung; g) Hot plate; h) Máy quang khắc;
i) Thiết bị phún xạ; j) Thiết bị bốc bay chùm điện tử

2.1.3. Các thiết bị kiểm tra, đo đạc phân tích mẫu
- Kính hiển vi Olympus GX51
- Hệ đo độ dày theo phương pháp cơ (Dektak 6M)
- Hệ đo đặc trưng I-V (Agilent 4155C)
- Phổ kế micro raman (LABRAM 300)
- Kính hiển vi nguyên tử lực (Electronica S.L)

Hình 2.2: Hệ đo độ dày theo phương pháp cơ


Hình 2.3: Hệ đo đặc trưng I – V


Hình 2.4: Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Hình 2.5: Phổ kế micro Raman
17

Các thiết bị trên thuộc Phòng thí Nghiệm công nghệ nano – Đại Học Quốc Gia
TP. Hồ Chí Minh.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Oxy hoá nhiệt trong môi trường oxy khô (dry oxidation)
Việc chế tạo lớp ôxit cách điện SiO
2
trên bề mặt đế Si có thể thực hiện bằng nhiều
cách như: oxy hoá nhiệt, lắng đọng nhiệt phân, oxy hoá khí plasma trong đó phương
pháp oxy hoá nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất.
Oxy hoá nhiệt là quá trình oxy hoá xảy ra giữa nguyên tử oxy trong môi trường và
nguyên tử Si có trên đế Si ở nhiệt độ cao, tạo nên lớp SiO
2
. Dải nhiệt độ oxy hoá
thường nằm trong vùng 900
o
C-1500
o

C.
Đối với quá trình oxy hoá nhiệt trong môi trường khô, người ta đưa oxy khô từ
bình khí qua hệ thống đo có van để có thể điều chỉnh chính xác lưu lượng khí đưa vào
lò. Trong môi trường oxy khô, đế Si tiếp xúc trực tiếp với oxy. Lúc ban đầu quá trình
oxy hoá tạo nên lớp SiO
2
xảy ra nhanh, sau đó chậm dần. Cơ chế oxy hoá xảy ra bằng
cách nguyên tử oxy phản ứng với nguyên tử Si có ngay trên bề mặt đế Si, sau đó dần
dần oxy phải khuếch tán qua lớp SiO
2
đã hình thành trước đó vào biên phân cách Si-
SiO
2
, lượng nguyên tử oxy tới bề mặt phụ thuộc vào dòng khí chảy trong ống thạch
anh, nhiệt độ trong lò và áp suất riêng phần bao quanh tấm Si. Độ thẩm thấu của Oxy
qua lớp SiO
2
là rất thấp và phân bố theo hàm mũ giảm dần từ mặt vào. Sau khi hấp thụ
trên bề mặt SiO
2
, oxy bị ion hoá tạo thành ion oxy và lỗ trống, chúng khuếch tán với
tiếp giáp Si-SiO
2
. Tại biên phân cách Si-SiO
2
, phản ứng hoá học xảy ra như sau:
(2Oi2-+4h+)SiO2+SiSi=Si4+O22-(=SiO2)
Trong quá trình trên, cứ một phân tử O
2
kết hợp với một nguyên tử Si sẽ cho một

phân tử SiO
2
. Oxy hoá nhiệt trong môi trường khô cho chất lượng lớp SiO
2
tốt nhưng
tốc độ oxy hoá rất chậm.

Hình 2.6: Thiết bị oxy hoá nhiệt PEO 601 tại Phòng Thí Nghiệm CN Nano

2.2.2. Phương pháp phun phủ tạo lớp màng SWCNTs
Thiết bị bao gồm một súng phun được gắn với vòi phun áp suất thấp. Dung dịch
SWCNTs được đổ vào bình chứa sau đó được phun trực tiếp lên đế.

Hình 2.7: Thiết bị hỗ trợ việc phủ dung dịch SWCNT lên đế
a) bếp nung; b) súng phun

2.2.3. Quang khắc
 Khái niệm
18
Quang khắc là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm
tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng
cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra
hình ảnh cần tạo.
Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm
sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế tạo các chi tiết có kích thước
nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chi
tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử
(electron beam lithography).
Thiết bị quang khắc quang học của Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, ĐHQG
Tp. HCM cho phép chế tạo các cấu trúc với kích thước nhỏ nhất là 1 micromet. Có thể

nói là kích thước này là quá lớn cho việc chế tạo một transistor cho ứng dụng thực tế,
nhưng đáp ứng đủ điều kiện để chế tạo một linh kiện để nghiên cứu các tính chất cơ
bản của linh kiện.

 Kỹ thuật quang khắc
Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề
mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Có nghĩa là quang khắc sử dụng các
phản ứng quang hóa để tạo hình.
Bề mặt của đế sau khi xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm
quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các
bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cảm quang
có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn
hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cảm quang thường
được phủ lên bề mặt đế bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating).
Cảm quang được phân làm 2 loại:
 Cảm quang dương: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu
vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.
 Cảm quang âm: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào
thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa.

 Nguyên lý Quang khắc:

Hình 2.8: Nguyên lý hệ quang khắc

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này
được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua một mặt nạ (photomask). Mặt nạ là một tấm
chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng
chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến
đổi. Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần
19

tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội
tụ.

 Qui trình quang khắc
Hình 2.9: Qui trình quang khắc

Hình 2.9 thể hiện một vài công đoạn quan trọng theo tứ tự của các bước trong
công nghệ quang khắc. Các bước chính bao gồm:
- Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, hoá chất, cảm quang, tủ sấy, đế bán dẫn và các
dụng cụ thiết bị cần thiết.
- Xử lý đế bán dẫn Si, sấy khô đế bán dẫn.
- Phủ lớp cảm quang lên đế bán dẫn bằng phương pháp quay li tâm.
- Sấy màng cảm quang trong lò.
- Lắp đặt các đế bán dẫn vào máy quang khắc, chiếu sáng UV.
- Hiện hình lớp cảm quang đã chiếu sáng trong các dung dịch thích hợp ứng với
từng loại cảm quang dương, âm.
- Ủ nhiệt cho lớp cảm quang.
- Ăn mòn lớp vật liệu màng mỏng vừa định hình tạo các cấu hình cửa sổ bằng
các dung dịch ăn mòn thích hợp.
- Tẩy lớp cảm quang dư thừa sau quang khắc, không để lại một vết bẩn hữu cơ
hay vô cơ nào trên vật liệu làm ảnh hưởng đến các công đoạn sau.
- Xử lý sạch các phiến đã ăn mòn tạo cửa sổ.



2.2.4. Phương pháp chế tạo màng kim loại làm điện cực
Có nhiều phương pháp hỗ trợ việc chế tạo màng kim loại làm điện cực, tuy nhiên
trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến hai phương pháp chính: bốc bay chùm tia điện
tử (được sử dụng để tạo điện cực nguồn, điện cực máng), phún xạ (tạo điện cực cổng).

 Phương pháp phún xạ (sputtering)
Phương pháp phún xạ là một trong những phương pháp lắng đọng quan trọng theo
nguyên lí vật lý. Nó có một số dạng sau:
- Phương pháp phún xạ catot
Trong phương pháp này, cấu trúc buồng phún xạ gồm hai điện cực nằm đối diện
nhau. Bề mặt catot được phủ bằng vật liệu tạo màng. Cực anot là vật liệu cần được phủ
màng lên. Buồng phun chứa khí trơ, thường là argon (Ar) với áp suất thấp.

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý phún xạ catot

20
Hình 2.10 mô tả nguyên lý phún xạ catot, ở đó catot là điện cực nhôm được nối
với thế âm, còn anot là đế phiến bán dẫn được nối với đất. Với điện trường cao khí Ar
được ion hoá thành các ion dương Ar
+
bắn phá vào catot làm bật ra các nguyên tử Al,
các nguyên tử này có thể ở dạng ion và cả ở dạng trung hoà điện tích, chúng còn được
gọi là nguyên tử phún xạ. Chúng được gia tốc về phía anot có thế hiệu dương hơn và
tạo ra một màng mỏng Al phủ lên bề mặt phiến bán dẫn Si.

- Phương pháp phún xạ bằng dòng điện một chiều
Nguyên lý cấu tạo của thiết bị như hình 2.11, các phiến bán dẫn được đặt lên cực
anot có thế hiệu là 0V (nối với đất), cực kia nối với cực âm. Khí Ar ở trạng thái plasma
bao gồm các ion dương Ar
+
bắn phá catot chứa vật liệu cần phún xạ. Ngoài các vật liệu
bia có cả các điện tử thứ cấp, các điện tử thứ cấp này lại được gia tốc về phía anot, va
chạm tiếp với các khí Ar và ion hoá tiếp thành các ion Ar
+
. Các ion Ar

+
được gia tốc về
phía catot làm bật ra các phần tử bia bay về phía anot tạo nên một màng mỏng trên bề
mặt đế bán dẫn. Các quá trình này cứ tiếp diễn. Gần catot có một vùng không gian gọi
là vùng tối catot.

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý phún xạ bằng dòng điện một chiều

- Phương pháp phún xạ xoay chiều cao tần RF

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý phún xạ xoay chiều cao tần RF
Nguyên lý phương pháp phún xạ RF được thể hiện như hình 2.12. Các phiến bán
dẫn được đặt trên một tấm điện cực nối đất, cực kia là bia mang vật liệu cần bốc bay
phún xạ, cực này được nối với nguồn phát tín hiệu cao tần. Tần số của máy phát cao
tần thường dùng là 13.56MHz. Vì các ion có khối lượng lớn hơn nhiều so với điện tử
nên chúng có quán tính lớn, vì thế chúng không thể phản ứng kịp với tần số RF, chúng
chỉ bị gia tốc bởi điện thế một chiều hình thành giữa hai điện cực bia và anot. Kết quả
là các ion dương sẽ bắn phá bia chọn lọc hơn, không còn các hạt điện tử bắn phá gây
nên các điện tử thứ cấp và một số hiệu ứng khác. Quá trình phún xạ này xảy ra tạo lên
trên bề mặt một lớp màng thích hợp. Theo tính toán, tần số RF thích hợp là 13.56MHz.
 Phương pháp bốc bay bằng chùm tia điện tử
Phương pháp bốc bay bằng chùm tia điện tử là một phương pháp quan trọng dùng
để chế tạo các màng kim loại làm điện cực. Phương pháp này có thể thực hiện được
việc bốc bay các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao tới trên 3000
o
C.
Thông thường người ta dùng thuyền hay nồi có hình dạng nón cụt đặt trong một đế
vỏ bằng đồng, trong nồi để các kim loại cần bốc bay. Đế hay khối đồng có thế hiệu là
0V. Bên trong lòng khối đế bằng đồng có một hệ thống làm lạnh bằng nước lưu
chuyển. Bộ phận catot (súng điện tử) phát ra chùm điện tử, chúng được tăng tốc bởi

một hệ thống điện trường mà một cực là đế đồng có nồi chứa kim loại cần bốc bay,
21
cực kia nối với thế âm cỡ từ -8000V đến -10000V. Người ta còn đặt một từ trường (gọi
là từ trường uốn cong) để làm lệch chùm tia điện tử đi mộc góc 270
o
sao cho chùm tia
điện tử hội tụ vào vật liệu cần bốc bay, ở đó có thế hiệu dương lớn hơn, chùm tia điện
tử truyền năng lượng cao làm nóng chảy vật liệu bốc thành pha hơi. Vật liệu cần bốc
sẽ được bay lên và lắng đọng lên bề mặt phiến bán dẫn.

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý bốc bay bằng chùm tia điện tử

2.2.5. Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon
Từ khi ra đời, ống nano carbon đã được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác
nhau tùy thuộc vào hình dạng và số lượng CNTs. Trong rất nhiều các phương pháp
tổng hợp CNTs, có ba phương pháp chính là phóng điện hồ quang (arc discharge, AD),
bốc bay bằng laser (laser ablation) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical
vapour deposition, CVD). Trong phóng điện hồ quang và bốc bay bằng laser, nguồn
carbon được tạo ra từ sự bốc bay vật liệu carbon rắn. Còn phương pháp CVD thì các
khí hydrocarbon được phân ly thành hơi carbon.
 Quá trình mọc CNTs bằng xúc tác kim loại
Cho đến thời điểm này, cơ chế mọc (growth) ống nano carbon với chất xúc tác kim
loại vẫn chưa rõ ràng, hầu hết vẫn còn là giả thuyết. Cơ chế mọc CNTs vẫn đang là
một vấn đề đối với quá trình điều khiển việc tổng hợp ống nano carbon.
Nhiều mô hình mọc CNTs được đưa ra dựa trên nền tảng sự nhiệt phân của các
hydrocarbon trên bề mặt kim loại. Trong phương pháp phủ hơi hóa học thì cần có sự
tham gia của lớp chất xúc tác kim loại, nhưng trong phóng điện hồ quang và phân ly
bằng laser thì có thể không cần do CNTs được hình thành trực tiếp ngay trong pha khí
plasma carbon.
Mô hình mọc ống nano carbon từ các hạt xúc tác kim loại (Fe, Co, Ni,…) như sau:

Hình 2.14: Mô hình mọc ống nano carbon với xúc tác là hạt kim loại

Tùy thuộc mối tương tác giữa hạt xúc tác kim loại và đế xúc tác mà quá trình tổng
hợp CNTs có thể từ phía dưới hình thành dần lên trên (base-growth) hoặc hình thành
từ đỉnh xuống (tip-growth) hoặc cả về hai phía của hạt xúc tác.
Cơ chế mọc của ống nano carbon có thể được diễn tả theo bốn bước như sau:
- Bước đầu tiên, khí hydrocarbon phân ly trên bề mặt kim loại thành carbon và
hydro.
- Bước thứ hai, bao gồm sự khuếch tán các nguyên tử carbon vào bề mặt kim
loại và lắng đọng dần bao quanh bề mặt hạt kim loại.
- Bước thứ ba, sau khi bao toàn bộ bề mặt hạt kim loại, trên đỉnh hạt xúc tác
hình thành mầm nhú của ống nano carbon.
- Cuối cùng, ống nano carbon mọc dần lên trên nền hạt kim loại xúc tác.
22
Quá trình mọc ống nano carbon diễn ra rất nhanh. Hầu hết quá trình mọc diễn ra
ngay trong thời điểm đầu tiên. Tốc độ mọc lên tới 60 µm/phút.
Tùy thuộc vào kích thước hạt nano kim loại, mà hình dạng và đường kính ống
nano carbon được tổng hợp trên nền xúc tác. Ngoài ra, chất lượng và hình dạng của
CNTs cũng phụ thuộc vào nhiệt độ tổng hợp. Thông thường, nhiệt độ tổng hợp từ 550
– 750
o
C cho ống nano đa vách và từ 850 – 1.000
o
C cho ống nano đơn vách.
Chiều dài ống nano phụ thuộc vào nguồn carbon (khí hydrocarbon) cung cấp cho
quá trình tổng hợp. Và không phải hạt xúc tác kim loại nào cũng tham gia vào sự hình
thành ống nano carbon.
Hình 2.15: Sơ đồ mô hình cơ chế mọc ống than nano với hạt xúc tác kim loại

 Phóng điện hồ quang
Ban đầu, phóng điện hồ quang được sử dụng nhằm nghiên cứu các fullerene, và đó
cũng là kỹ thuật đầu tiên phát hiện sự hình thành các ống nano carbon.
Cơ sở của phương pháp phóng điện hồ quang là sự làm lạnh khí plasma carbon
được hình thành bằng sự phóng điện giữa hai điện cực than chì tinh khiết. Các thanh
điện cực graphite được đặt trong buồng khí trơ như He, Ar tại áp suất từ 50 đến 900
mbar. Một dòng điện DC có cường độ từ 50 – 200 Ampe và hiệu điện thế ~ 20 Volt
được đặt vào hai điện cực. Sự phóng điện khí xảy ra với nhiệt độ đạt đến 3.000
o
C sẽ
bốc bay thanh điện cực than chì. Do đó, thanh điện cực carbon bị hóa hơi nên thanh
graphite phải được đẩy xuống liên tục sao cho khoảng cách giữa hai điện cực không
đổi. Quá trình tổng hợp nano carbon xảy ra bằng cách làm lạnh hơi plasma carbon.
Kết quả của phương pháp này sẽ cho một lượng lớn các ống nano đa vách nếu các
điện cực sử dụng là than chì tinh khiết. Còn để tăng cường khả năng hình thành ống
nano đơn vách thì một ít hạt xúc tác kim loại như Co, Ni và Fe được cho thêm vào cực
dương (anode).
Tuy nhiên, phương pháp hồ quang sẽ tổng hợp ra một hỗn hợp gồm ống nano
carbon, các lớp graphite, các fullerene, bụi than và một số các hạt xúc tác kim loại tại
điện cực than chì. Do tỷ lệ tạp chất khá lớn nên phương pháp này đòi hỏi quá trình làm
sạch ống nano carbon phức tạp và mất nhiều thời gian.

Hình 2.16: Mô hình phương pháp phóng điện hồ quang

 Bốc bay bằng laser
Một phương pháp khác nhằm tạo ống nano carbon có chất lượng cao là phương
pháp bốc bay bằng laser (laser ablation). Trong phương pháp này, một tia laser cường
độ cao được dùng để bốc hơi bia carbon đặt trong buồng nung có nhiệt độ khoảng
1,200
o

C, và CNTs được hình thành trong pha khí thông qua sự liên kết cấu trúc giữa
các nguyên tử carbon. Trong suốt quá trình bốc bay bằng laser, một luồng khí trơ (He
23
hoặc Ar) được thổi vào buồng nhằm vận chuyển các ống nano đến ngưng tụ tại bộ
phận thu hồi được làm lạnh.
Về cơ bản, tia laser được sử dụng để bốc hơi bia graphite trong buồng. Như một
quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp, các nguyên tử carbon nhanh chóng liên kết thành các
nhóm cấu trúc carbon, trong đó có nano carbon. Một luồng khí trơ vận chuyển các ống
nano carbon đến thiết bị thu hồi.
Ống nano carbon được hình thành bằng phương pháp laser với bia carbon chủ yếu
là các ống nano đa vách, có độ dài tương đối ngắn (~ 300 nm), đường kính trong cùng
từ 1,5 đến 3,5 nm và tổng số vách là từ 4 đến 24 vách. Ống nano carbon đơn vách chỉ
có thể tổng hợp được nếu bia carbon có chứa vài phần trăm nickel và cobalt (~ 5%).
Sự bốc bay bằng laser cũng tương tự như phóng điện hồ quang nhưng ở nhiệt độ
cao hơn nhiều lần nhằm chuyển trạng thái carbon rắn thành pha hơi. Phương pháp
được coi là một trong những phương pháp tạo ống nano carbon có chất lượng cao,
đồng đều nhưng số lượng CNTs rất thấp.

Hình 2.17: Mô hình thiết bị phân ly bằng laser của bia carbon

 Lắng đọng hơi hóa học
Hơn 25 năm trước đây, quá trình tổng hợp bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD) với
xúc tác được dùng để tổng hợp các sợi carbon. Trong tổng hợp ống than nano, nó bao
gồm một dòng khí hydrocarbon chạy dọc theo một buồng nung nhiệt điện trở, và bên
trong buồng có thuyền chứa vật liệu xúc tác.
Nguồn khí carbon thường được sử dụng là một loại hydrocarbon (C
n
H
m
), như

methane (CH
4
), ethylene (C
2
H
2
). Chất xúc tác thông thường là các hạt kim loại Co, Ni,
Fe và các hợp kim của nó được phân tán trên đế silicon, nhôm hoặc zeolite. Còn nhiệt
độ phản ứng từ 600
o
C đến 1.200
o
C.
Quá trình này gồm hai bước chính:
i. Chuẩn bị lớp xúc tác kim loại: thường lớp xúc tác kim loại là một màng
mỏng được phủ bằng phún xạ DC có bề dày khoảng vài nm.
ii. Quá trình tương tác giữa carbon và chất xúc tác, tổng hợp ống nano
carbon với nguồn khí carbon ở nhiệt độ cao.

Hình 2.18: Mô hình phương pháp lắng đọng hơi hóa học với xúc tác
Trong quá trình phản ứng hóa học, các liên kết hóa học trong khí hydrocarbon bị
gãy bởi nhiệt độ cao và hoạt hóa bởi xúc tác, hình thành các nguyên tử carbon hoạt
tính. Các nguyên tử carbon này lắng đọng dần trên bề mặc xúc tác và hình thành cấu
trúc và hình dáng các vách ống nano. Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ,
dòng khí) mà ống nano carbon có thể tổng hợp trên các hạt xúc tác kim loại.
24
Các tham số ảnh hưởng quá trình tổng hợp ống than nano bằng phương pháp lắng
động hơi hóa học là: nguồn carbon, tốc độ dòng khí, tỷ lệ giữa các khí, chất xúc tác,
vật liệu hỗ trợ và nhiệt độ tổng hợp.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm như nhiệt độ sinh ra thấp, có thể điều khiển

quá trình mọc và khả năng ứng dụng trong quy mô sản xuất công nghiệp. Khuyết điểm
duy nhất có thể kể là ống nano carbon có tính chất cơ học yếu hơn so với CNTs được
tổng hợp bằng phóng điện hồ quang hoặc bốc bay laser.

25
Chương 3
CHẾ TẠO CNTFET
3.1. Cấu trúc CNTFET chế tạo
CNTFET được chế tạo theo dạng cổng sau (back-gated CNTFET).

Hình 3.1: Cấu trúc Back-Gated CNTFET thực nghiệm chế tạo

3.2. Chuẩn bị
3.2.1. Mặt nạ (mask)
Mặt nạ được thiết kế bằng chương trình Clewin để sử dụng trong quá trình quang
khắc gồm 6x6 vị trí được ký hiệu từ 11 đến 66 như hình 3.2a.

Hình 3.2: Cấu trúc mặt nạ
a) Cấu trúc mặt nạ; b) Cấu trúc điện cực S - D

Tại mỗi vị trí là 16 cặp điện cực được thiết kế với chiều rộng và chiều dài thay đổi.
Việc thiết kế nhằm mục đích tạo điều kiện khảo sát sự thay đổi các đặc tính điện của
các CNTFET tạo thành theo khoảng cách từ cực nguồn đến cực máng và chiều rộng
của cực máng, nguồn.
Chi tiết thiết kế bằng phần mềm Clewin tham khảo tại Phụ lục 2.

Bảng 2.1: Chiều rộng ứng với từng vị trí trên mặt nạ (đơn vị: µm)
11
(W2)
12

(W5)
13
(W7)
14
(W10)
15
(W2)
16
(W5)
21
(W10)
22
(W2)
23
(W5)
24
(W7)
25
(W10)
26
(W2)
31
(W7)
32
(W10)
33
(W2)
34
(W5)
35

(W7)
36
(W10)
41
(W5)
42
(W7)
43
(W7)
44
(W10)
45
(W5)
46
(W7)
51
(W2)
52
(W5)
53
(W7)
54
(W10)
55
(W2)
56
(W5)
61
(W10)
62

(W2)
63
(W5)
64
(W7)
65
(W10)
66
(W2)

Bảng 2.2: Chiều rộng, chiều dài, số lượng thanh ứng với vị trí 11
11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
W
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
L
10 100

10 10 10 10 10 10 20 50 20 50 20 50 200

50