3-2.1 長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體直流電性量測
本論文首先量測下閘極/下閘極介電層/基板為 40nm TiN/30nm PE-SiN/
重摻雜晶圓、下閘極長度為0.9 微米、通道長度為 0.8 微米、源極/汲極為鈀 (Transconductance, Gm)最大值為 15.1nS(如圖 3-12)。由於下閘極介電層厚
度、介電常數及介電層品質可以主宰次臨界斜率，而元件 A 的下閘極介電 層為 PE-SiN 30nm，此介電層的缺點為厚度偏厚、介電常數不大、PECVD 成長的介電層中必定含有大量的捕捉電荷(Trapped charges)，又元件 A 屬於 蕭基位障元件，故元件A 的次臨界斜率達到 263.5(mV/dec)已屬不易。
本論文所量測的下閘極/下閘極介電層/基板為 40nm TiN/30nm PE-SiN/
重摻雜晶圓、下閘極長度為0.9 微米、通道長度為 0.8 微米、源極/汲極為鈀 (Pd)之長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體中，元件 A 為其中次臨界斜 率 最 佳 ， 其 餘 大 部 份 元 件 的 直 流 電 性 表 現 仍 可 維 持 高 電 流 開 關 比 達 106~107，但次臨界斜率較差，多類似於元件 B 的 ID-VD特性圖(如圖 3-13) 及ID-VG特性圖(如圖 3-14)，由 ID-VD特性圖可推斷元件B 為蕭基位障元件，
由ID-VG特性圖計算得元件B 的次臨界斜率為 492.6(mV/dec)。
本論文對於前後所量測 16 個下閘極/下閘極介電層/基板為 40nm TiN/30nm PE-SiN/重摻雜晶圓、下閘極長度為 0.9 微米、通道長度為 0.8 微 米、源極/汲極為鈀(Pd)之長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體而言，於 汲極偏壓為-0.1V 時之導通汲極電流均為 10-7(A)~10-8(A)間，統計其次臨界 斜率，可得最低次臨界斜率為元件A 之 263.5(mV/dec)；最高次臨界斜率為 671.4(mV/dec)，平均次臨界斜率為 509.6(mV/dec)。
3-2.2 極性分子對於奈米碳管電晶體直流電性之影響
根據本實驗室薛聖銘學長的論文[63]，由於本論文所製作的奈米碳管電 晶體之半導體性奈米碳管均裸露於大氣環境下，在無保護層(Passivation layer)覆蓋奈米碳管的情形下，大氣環境中的極性分子可吸附於奈米碳管 上。由於下閘極的偏壓極性、掃描方向及掃描區間的大小，均可轉變極性 分子之極性，而極性分子的極性可影響通道上半導體性奈米碳管的能帶升 降，故元件的直流電性將因為極性分子而有很嚴重地遲滯現象(Hysteresis)
由上述之元件 A 進行不同下閘極電壓掃描區間所造成的 ID-VG特性圖
下，改善下閘極介電層品質可大幅降低下閘極漏電流及降低次臨界斜率。
本 論 文 對 於 前 後 所 量 測 9 個下閘極/下閘極介電層/基板為 40nm TiN/15nm PE-SiN/重摻雜晶圓、下閘極長度為 0.9 微米、通道長度為 0.8 微 米、源極/汲極為鈀(Pd)之長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體而言，於 汲極偏壓為-0.1V 時之導通汲極電流均為 10-7(A)~10-8(A)間，統計其次臨界 斜 率 ， 可 得 最 低 次 臨 界 斜 率 為 212.1(mV/dec) ； 最 高 次 臨 界 斜 率 為 303.7(mV/dec)，平均次臨界斜率為 266.6(mV/dec)。
3-2.4 元件結構為 TiN/PE-SiN/重摻雜晶圓之成功率
本 論 文 統 計 前 後 所 量 測 的 上 述 下 閘 極/ 下 閘 極 介 電 層 / 基 板 為 TiN/PE-SiN/重摻雜晶圓之元件，可得奈米碳管跨接到源極、汲極的或然率 為54.3% (87/160)，且其中未經過電性應力(Electrical stress)直流量測或經過 電性應力直流量測後，有將近65.5%(57/87)的長閘極式區域性背閘極奈米碳 管電晶體所呈現的電流開關比達到104以上，而其之中更不乏直流電性良好 的元件，故利用第二章所述的製程參數控制法，在本論文捨棄採用線上電 子顯微鏡來搜尋奈米碳管是否有跨接到源極、汲極端後，仍可以成功地大 幅提升直接量測法的方便性及改善元件的性能。
3-2.5 改善下閘極介電層品質對於奈米碳管晶體直流電性之影響
為了更進一步地降低次臨界斜率，本論文將下閘極介電層由PE-SiN 更 換為ALD Al2O3，可大幅地提升下閘極介電層品質及些微地提升下閘極介電 層的介電常數。元件D 是下閘極/下閘極介電層/基板為 60nm In-situ doped N+ poly-Si/10nm Al2O3/高阻抗晶圓、下閘極長度為 0.9 微米、通道長度為 0.8 微米、源極/汲極為鈀(Pd)之元件。
由ID-VG特性圖分析元件D (如圖 3-18)，其電流開關比仍可達 106、次 臨界斜率為139.1(mV/dec)、互導(G )最大值可達 1.27μS (如圖 3-19)、下閘
極漏電流的問題也獲得改善，故相較於先前所述之元件A、元件 B、元件 C 來說，透過製程參數及製程材料的設計又大幅地改善了元件性能。
分析元件 D 的 ID-VD特性圖(如圖 3-20)，在下閘極偏壓為-2V 時，低 VD區域的特性曲線為線性直線，故推論此半導體性奈米碳管與 Pd 之接觸 面屬於歐姆接觸，證實本論文已成功地製作出歐姆接觸的高性能的長閘極 式區域性背閘極奈米碳管電晶體。
理論上源極/汲極與吸附氧氣形成 P-type 奈米碳管間達成 P-type 歐姆接 觸時，此奈米碳管電晶體將屬於常開型(Normally open)場效電晶體，當閘極 電偏壓為 0V 時、只施加源汲/汲極跨壓時，即可造成有汲極電流導通的現 象。但由於極性分子吸附於奈米碳管上，造成歐姆接觸的奈米碳管電晶體 臨界電壓之移動，故於閘極偏壓為0 時，無汲極電流產生(如圖 3-18)。
本論文對於前後所量測 8 個下閘極/下閘極介電層/基板為 60nm In-situ doped N+ poly-Si/10nm Al2O3/高阻抗晶圓、下閘極長度為 0.9 微米、通道長 度為0.8 微米、源極/汲極為鈀(Pd)之長閘極式區域性背閘極奈米碳管電晶體 而言，於汲極偏壓為-0.1V 時之導通汲極電流均為 10-7(A)~10-8(A)間，統計 其次臨界斜率，可得最低次臨界斜率為 89.9(mV/dec)；最高次臨界斜率為 165.6(mV/dec)，平均次臨界斜率為 133.8(mV/dec)。
3-2.6 元件結構為 doped N+ poly-Si/10nm Al2O3/高阻抗晶圓之成功率
本論文統計前後所量測的上述下閘極/下閘極介電層/基板為 60nm In-situ doped N+ poly-Si/10nm Al2O3/高阻抗晶圓之元件，可得奈米碳管跨接 到源極、汲極的或然率為74.3%(119/160)，且其中未經過電性應力直流量測 或經過電性應力直流量測後，有將近 37.8%(43/119)的長閘極式區域性背閘 極奈米碳管電晶體所呈現的電流開關比達到105以上，而其中更不乏直流電 性良好的元件。