1-3.1 奈米碳管電晶體之起源
西元1998 年時，IBM 的研究團隊證實了使用具有半導體性質的奈米碳 管來當作電晶體通道(Channel)的可能性，製作出了全世界第一顆背閘極奈 米碳管電晶體(Back-gated CNTFETs)(如圖 1-7)[28][29]，由於其優異的直流 電 性 表 現 ， 更 被 認 為 具 有 在 將 來 取 代 金 屬 氧 化 物 半 導 體 場 效 電 晶 體 (MOS-FET)的潛力。時至今日，奈米碳管電晶體所使用的製程方式、結構 設計、閘極介電質材料的選擇及沉積方式[30][31]、源極/汲極(Source/Drain) 金屬電極的選擇[32][33]，都有大量的研究成果發表於世。
1-3.2 背閘極奈米碳管電晶體之製程及導通操作方式的優劣點
對於奈米碳管電晶體的結構來說，由最早期的背閘極結構開始說明(如 (Schottky barrier height)為熱平衡時，源極/汲極金屬的費米能階到半導體性 奈米碳管的傳導帶之差；對於自由電洞而言，蕭基位障高度為熱平衡時，
的先天條件，故研究人員莫不致力於將雙極性的奈米碳管電晶體轉變為單 極性(Unipolar)的奈米碳管電晶體[37]，其改善方法將在 1-3.5 節及 1-4 節中 有詳細說明。 (Subthreshold swing)降低，離 MOSFET 常溫極限 60(mV/dec)仍有一大段的 距離[38]。另一重大缺點是以晶圓來當作背閘極，無法控制單一顆的奈米碳
層的品質，避免採用PECVD 製程時，上閘極介電層中大量電荷的累積，影 響直流電性，且又可以兼顧上閘極介電層之介電常數(Dielectric constant)、
維持奈米碳管品質，在低漏電的需求下，沉積厚度較薄之上閘極介電層，
改善奈米碳管電晶體的次臨界斜率。但由於半導體性奈米碳管直徑約為 1nm 至 2nm，其結構表面的曲率非常大，故採用此製程沉積厚度較薄的上 閘極介電層時，需注意階梯覆蓋的問題，以免上閘極漏電流過大，而此漏 電流問題也可透過對於奈米碳管進行特殊的化學處理而改善其沉積的覆蓋 能力[22]，得到等效二氧化矽厚度(Effective oxide thickness, EOT)超薄的上閘 極介電層。
1-3.4 上閘極奈米碳管電晶體之製程缺點
上閘極奈米碳管電晶體的另一重大缺點是來自於當上閘極需要和源 極、汲極有重疊區域來調變半導體性奈米碳管和源極、汲極金屬接觸所產 生的蕭基位障時，由於為了使源極/汲極金屬包覆住奈米碳管以降低接觸阻 抗，在以不傷害奈米碳管為前提下，必須避免奈米碳管裸露於電漿中的離 子轟擊(Ion bombardment)下，所以源極/汲極的製作方式就無法使用金屬乾 蝕刻法完成，故源極/汲極必定採用光阻掀離法製作，這將使得源極/汲極金 屬線邊緣有殘留之金屬尖端凸起(Sharp edge)(如圖 1-12)，此金屬尖端凸起生 成原因將在2-2.1 節中詳述。而此金屬尖端凸起將會嚴重影響後續上閘極介 電層沉積的均勻性，致使金屬尖端凸起上方的上閘極介電層厚度沉積較薄 (如圖 1-12)，又尖端凸起有電場集中效應產生，所以此金屬尖端凸起上方的 上閘極介電層在奈米碳管電晶體操作時，有上閘極漏電偏大的問題，影響 奈米碳管電晶體的電壓操作區間。
對於上閘極奈米碳管電晶體來說，在旋塗奈米碳管時，由於晶圓表面 較為平坦，較無明顯的結構高低差，使用配製濃度較低的奈米碳管溶液時，
管溶液的濃度來提高此或然率，然而較高的奈米碳管溶液濃度，在使用超 的主導轉變為奈米碳管本身通道能帶圖的調變(Bulk switching)，因此 IBM 公司提出了雙閘極(Dual-gated)奈米碳管電晶體(如圖 1-13)[38][40][41]，其結
1-3.6 雙閘極奈米碳管電晶體之能帶間穿隧效應
對於 P-type 雙閘極奈米碳電晶體來說，若汲極端施加一小負電壓、源 極端接地，當施加小正電壓於下閘極上時，可有效地利用奈米碳管通道上 之能帶圖調變來阻擋由源極端入射之電洞載子，使 P-type 雙閘極奈米碳管 電晶體呈現關閉之狀態(如圖 1-14)。但當下閘極施加至大正電壓時，又施加 極性與下閘極相反的大負電壓於背閘極(晶圓)上，此時，在下閘極與背閘極 接面的半導體性奈米碳管能帶圖將受到劇烈的拉伸電場作用而趨近於垂直 狀態，而由源極端所入射的高能量電洞在此劇烈彎曲之能帶區域將受到大 電場的加速，有機會藉由能帶間穿隧(Band-to-Band tunneling)效應使原本關 閉的奈米碳管電晶體又有電流導通(如圖 1-15)。由於能帶間穿隧效應的次臨 界斜率有機會在常溫下突破MOSFET 之 60 (mV/dec)限制，且此效應不受溫 度變化而影響其次臨界斜率，故有文獻在更改元件設計後，將導通原理由 熱游離(Thermionic emission)轉變為能帶間穿隧，故此效應可以被善加利用 成為具有超低次臨界斜率(<60(mV/dec))的單極性奈米碳管電晶體[22]。
能帶間穿隧效應發生的或然率與半導體性奈米碳管之能隙、短閘極電 場、通道上的散射(Scattering)效應、傳輸載子於半導體性奈米碳管上的等效 質量(Effective mass, m*)有關。要提升能帶間穿隧效應的或然率，需採用直 徑較小的半導體性奈米碳管才有較大的能隙、施加較大的短閘極電場、減 低通道上的散射效應、傳輸載子等效質量較小的奈米材料。而對於半導體 性奈米碳管來說，自由載子於其上之平均自由路徑(Mean free path, MFP)在 常溫下可達數百奈米至數微米，故自由載子在其上傳輸時可保有較高的動 能，較不受聲子(Phonon)散射效應的影響，且其傳輸電子的等效質量為 0.06mo，其中 mo = 9.1E-31(Kg)為電子的實際質量，且其三維能量-動量關係 圖具有導帶與價帶的對稱性，故傳輸電子的等效質量等於傳輸電洞的等效
元件來說，奈米碳管是很適合的奈米材料，可以有效地發揮其本身的優點。