客户成果丨中科院苏州纳米所 《Advanced Materials》：通过在选定区域内掺入SbI3增强碳纳米管网络晶体管的性能

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所先进材料研究部康黎星课题组在“选区内嵌掺杂策略提高碳纳米管薄膜晶体管电学性能”研究中取得新进展，该研究成果以“Performance Enhancement of Carbon Nanotube Network Transistors via SbI3 Inner-Doping in Selected Regions”为题发表在《Advanced Materials》。

基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术已成为电子产业的核心支柱，推动了高性能和高能效集成电路芯片的持续创新。然而，随着晶体管尺寸的不断缩小，以满足摩尔定律的要求及市场对更快速、更高效芯片的需求，基于硅的CMOS技术逐渐面临物理极限，包括短沟道效应、量子隧穿效应以及难以控制的功耗问题。在不牺牲性能的前提下进一步缩小晶体管尺寸，迫切需要探索具有颠覆性的新材料和器件结构。半导体型单壁碳纳米管（s-SWCNTs）具有卓越的电学、光学、热学和机械性能，以及在低功耗、稳定性和柔性等方面的独特优势，被认为是突破摩尔定律限制并开发下一代电子器件的最有前景的材料之一。尽管已有多种方法被开发出来，但如何有效降低s-SWCNTs网络的接触电阻仍然是实现其电子性能进一步提升的关键挑战。

针对上述挑战，康黎星课题组首次提出了一种基于选区填充的微纳加工工艺，旨在有效降低接触电阻。该工艺在低温条件下，将三碘化锑（SbI3）高效封装于高纯度s-SWCNTs中空内腔中，形成一维（1D）SbI3@s-SWCNTs范德华异质结构。通过DFM表征及电学测试证实，s-SWCNTs在填充SbI3后，其电学行为由半导体性转变为金属性。结合微纳加工工艺，实现了SbI3的选区填充，并将SbI3@s-SWCNTs网络作为接触电极，从而有效改善了s-SWCNTs薄膜晶体管（TFTs）的电性能。器件测试结果表明，接触电阻降低到原来的三分之一，载流子迁移率增加约10倍，亚阈值摆幅显著降低至约65 mV dec-1。这些结果验证了通过内嵌掺杂接触区域s-SWCNTs诱导其金属化的工艺在优化碳纳米管薄膜晶体管电学性能方面的有效性，并对进一步推动基于碳纳米管的电子器件与电路的开发具有重要意义。

图1 SbI3@SWCNTs的合成及微观结构表征。（a）SbI3填充SWCNTs的典型制备工艺示意图。（b）自组装示意图。（c）HAADF-STEM模拟图像和SbI3@SWCNTs结构模型。（d）SbI3@SWCNTs结构模型的纵向和横向图。（e）SbI3@SWCNTs的C、Sb、I的EDX图。

图2 s-SWCNTs和SbI3@s-SWCNTs的DFM表征。（a）用于测量SiO2衬底上s-SWCNTs的DFM装置示意图。（b）不同尖端栅极电压下s-SWCNTs内载流子分布。EC表示导带边缘，EV表示价带边缘。EF为费米能级，EI为中隙能级。（c）s-SWCNTs和SbI3@s-SWCNTs的DFM信号与Vg的关系。（d-k）s-SWCNTs和SbI3@s-SWCNTs的形貌和介电响应图像。

图3 具有SbI3@s-SWCNTs接触的s-SWCNTsTFTs的制备工艺和能带结构示意图。（a）器件制备工艺(1-6)和结构示意图(7)。通道宽度为10 µm，通道长度分别为5 µm、10 µm、15 µm、20 µm、25 µm。（b）不同通道长度的s-SWCNTs TFTs的SEM图像。（c）器件的截面示意图。（d）和（e）SbI3填充接触区域之前和之后的接触界面能带结构。EF代表金属的费米能级，EC和EV代表s-SWCNTs的导带和价带。

图4 s-SWCNTs TFTs的电输运特性。（a）和（b）是I-V曲线。（c）显示了不同沟道长度下，具有和不具有SbI3@s-SWCNTs接触的s-SWCNTs TFTs的转移特性曲线。计算的Y函数，针对具有金属接触的五个s-SWCNTs TFTs器件 （d）以及具有SbI3@s-SWCNTs接触的器件（e），如（c）所示，作为Vgate的函数。（f）提取的接触电阻率统计分析图。（g）迁移率μfe与沟道长度的关系。空心菱形表示具有金属接触的s-SWCNTs TFTs，实心菱形表示具有SbI3@s-SWCNTs接触的s-SWCNTs TFTs。（h）将Ss和μfe的值与其他s-SWCNTs TFTs进行比较。

该工作中的电学器件光刻工艺通过使用TuoTuo Technology的UV Litho-ACA制备得到。

中国科学院苏州纳米所博士后郭庆、博士后王秀君为论文共同第一作者。中国科学院苏州纳米所博士后王秀君、康黎星研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划、中国博士后科学基金、中国科学院特别研究助理项目、江苏省卓越博士后计划等项目的支持，以及中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站和纳米加工平台的技术支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202415442