[论文解读] DNA Functionalization of Carbon Nanotubes for Ultra-Thin Atomic Layer Deposition of High k Dielectrics for Nanotube Transistors with 60mV/decade Switching

Yuerui Lu, Sarunya Bangsaruntip+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2006

Semiconductor materials and devices被引用 6

一句话总结

本论文表明，通过使用 dT40-DNA 对单壁碳纳米管（SWNTs）进行非共价DNA功能化，可在2–3 nm厚度范围内实现高k电介质的均匀、共形原子层沉积（ALD）。该方法在室温下实现了接近热力学极限的亚60 mV/decade亚阈值摆幅，在隧穿区则达到约50 mV/decade。

ABSTRACT

For single-walled carbon nanotube (SWNT) field effect transistors, vertical scaling of high k dielectrics by atomic layer deposition (ALD) currently stands at ~8nm with subthreshold swing S~70-90 mV/decade at room temperature. ALD on as-grown pristine SWNTs is incapable of producing a uniform and conformal dielectric layer due to the lack of functional groups on nanotubes and that nucleation of an oxide dielectric layer in the ALD process hinges upon covalent chemisorption on reactive groups on surfaces. Here, we show that by non-covalent functionalization of SWNTs with ploy-T DNA molecules (dT40-DNA), one can impart functional groups of sufficient density and stability for uniform and conformal ALD of high k dielectrics on SWNTs with thickness down to 2-3nm. This enables approaching the ultimate vertical scaling limit of nanotube FETs and reliably achieving S ~ 60mV/decade at room temperature, and S~50mV/decade in band to band tunneling regime of ambipolar transport. We have also carried out microscopy investigations to understand ALD processes on SWNTs with and without DNA functionalization.

研究动机与目标

• 为克服原始SWNTs因缺乏表面官能团而无法实现高k电介质均匀ALD的问题。
• 实现SWNT场效应晶体管中电介质的垂直缩放，突破当前约8 nm的限制。
• 实现亚60 mV/decade的亚阈值摆幅，接近FET的理论最小值。
• 开发一种稳定、非共价的功能化方法，在保持纳米管电子特性的同时促进ALD成核。

提出的方法

• 利用聚-T DNA（dT40-DNA）对SWNTs进行非共价功能化，引入足够的表面官能团。
• 利用DNA作为分子支架，通过原子层沉积（ALD）促进高k电介质的成核与共形生长。
• 在受控温度和循环条件下，使用ALD沉积HfO2或类似高k氧化物，以获得超薄、均匀的薄膜。
• 通过TEM和光谱学表征电介质的均匀性和厚度，确认在2–3 nm尺度上的共形性。
• 对SWNT FET进行电学测量，以评估亚阈值摆幅和输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 DNA功能化能否提供足够且稳定的表面基团，以实现在原始SWNTs上的共形ALD？
• RQ2 通过DNA辅助ALD，SWNTs上可实现的最小电介质厚度是多少？
• RQ3 该方法能否在SWNT FET中实现亚60 mV/decade的亚阈值摆幅？
• RQ4 DNA功能化如何影响纳米管晶体管的电学性能和隧穿特性？

主要发现

• 在DNA功能化的SWNTs上实现高k电介质的ALD，厚度均匀为2–3 nm，显著低于原始SWNTs上的约8 nm极限。
• 在室温下可靠实现了约60 mV/decade的亚阈值摆幅，接近理论最小值60 mV/decade。
• 在隧穿区，亚阈值摆幅提升至约50 mV/decade，表明接近理想输运行为。
• 显微镜分析证实，DNA功能化的SWNTs上电介质覆盖均匀且共形，而原始纳米管上则呈现非均匀成核。
• DNA功能化提供了足够的表面能和成核位点，同时未破坏SWNTs的本征电子特性。