碳納米管「或」門邏輯器件的製作方法

2023-06-13 07:16:21

專利名稱：碳納米管「或」門邏輯器件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種邏輯器件，特別是涉及一種碳納米管「或」門邏輯器件。
首先，高密度的集成器件工作時將散發出大量熱量。如果散熱問題不能很好的解決，將極大地影響集成電路的性能和可靠性。其次，受半導體本身特性的限制，集成電路的運算速度很難再有所提高。以N溝道增強性絕緣柵型場效應管為例，其本徵延遲為111ps(本徵延遲是指載流子通過溝道的輸運所引起的大信號延遲，即溝道從零電荷充電到溝道穩定電荷Qc所需要的時間。)。在一個很大的系統中，各個器件之間延遲的總和會達到微秒的數量級。所以，半導體場效應管本身的不足阻礙了電路速度的提高。再者，現有的半導體加工技術是建立在光刻、離子滲透、摻雜等工藝之上的，隨著集成度的提高，對加工難度也在不斷提高。傳統的半導體加工技術由於光刻中受光的波長的限制，對10nm以下的器件加工就已經無能無力了。
正是因為傳統的半導體器件在不久的將來已經不能滿足需要，所以人們迫切地尋找一種半導體的替代品。這個替代品必須擁有半導體材料所不具有的特點，以克服半導體的種種缺陷。納米材料的出現為新一代電子器件的發展展開了一條新的道路。以碳納米管和各種半導體納米線為代表的納米材料以其特有的優點吸引著人們的注意。納米材料優良的電學性質使其成為下一代電子器件的首選。
在各種納米電子器件的研究中，以碳納米管為基礎的器件是各國爭相研究的熱點。IBM研究中心的R.Martel等人(《應用物理快報》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，No.17，2447)於1998年製作出碳納米管場效應管。這種碳納米管場效應管在室溫下有良好的電學性質，其各項性能指標完全可以和傳統的半導體場效應管相媲美。場效應管是集成電路的基礎單元，所以碳納米管場效應管的出現是向納米級邏輯電路邁出了重要的一步。在碳納米管場效應管的基礎之上，Adrian Bachtold等人(《科學》SCIENCE，2001，294，1317.)又成功研製出在室溫下工作的碳納米管邏輯「或否」電路。這種邏輯電路由兩個碳納米管組成，通過碳納米管下面的柵極控制碳納米管的導通或截止狀態，從而實現邏輯運算功能。其電路原理圖如

圖1。同時，Yu Huang等人(《科學》SCIENCE，2001，294，1313.)也製作出以半導體納米線為基礎的邏輯「或」電路。其原理圖如圖2所示。圖中8為N型GaN納米線，7為P型Si納米線，3、4、5為金屬電極，4、5為輸入端電極，3為輸出端電極。其工作原理是摻雜類型為P型和N型的半導體納米線相互交叉接觸，從而在接觸點形成P-N結，利用P-N結的電學特性實現電路的邏輯功能。
以上介紹的兩種邏輯電路在室溫下均有良好的表現，性能穩定，可靠性高。但是，我們也看到這兩種電路存在的不足。首先，在碳納米管邏輯門器件中有電阻、連線和柵極等結構，器件結構比較複雜，所以採用何種形式的線路設計將這些結構有機的結合起來是第一個要解決的問題。其次，碳納米管邏輯器件和納米線邏輯電路均採用兩個或兩個以上的碳納米管或納米線構成，這就給器件的加工製作帶來了很大的難度。眾所周知在納米加工技術中，碳納米管和半導體納米線等納米材料的定位一直是納米技術中關鍵的問題。因為碳納米管和納米線等納米直徑很小，一般在幾個納米，所以準確定位非常困難。現階段，實驗室一般使用一些特殊的方法才能解決定位問題。如使用STM(掃描隧道顯微鏡)或者AFM(原子力顯微鏡)對單個納米管或者納米線進行操控，將其拖拉到需要的位置；再者就是使用「隨機取向法」將納米管或納米線放置到位。在以上兩種器件中，均採用兩個以上的碳納米管和半導體納米線。尤其是納米線邏輯「或」門器件，在器件中採用三條納米線交叉排列，並且還要保持納米線之間良好的接觸。這就為器件製作帶來了極大的難度。器件製作難度的增大將很大程度上影響器件製作的效率和器件的性能。
本實用新型的目的可通過如下措施來實現本實用新型提供的一種碳納米管邏輯「或」門邏輯器件，包括襯底、絕緣層、碳納米管、柵極、電極及電阻，在襯底設絕緣層；其特徵在於在絕緣層上設兩柵極，在兩柵極兩側的絕緣層上設兩電極，並且兩柵極與兩電極、平行排列；一碳納米管垂直放置在襯底的絕緣層上，它與柵極和電極相接觸；兩電極中的一電極接地，另一電極通過電阻與一恆壓相連。
所述的襯底絕緣層的厚度為35nm至100μm。
所述的柵極和電極的寬度為10nm至50μm。
所述的柵極與柵極及柵極與相鄰電極之間的距離為5nm至100μm。
所述的電極置於碳納米管之下，或置於碳納米管之上。所述的電極設置於襯底絕緣層和碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm。由貴金屬沉積製備的電極設置於碳納米管之下，位於兩柵極兩側的絕緣層中的溝槽內。
在柵極絕緣層厚度為1nm至5nm。
所述的絕緣層上的溝槽深度為10nm至95μm。
本實用新型相比現有技術具有如下優點本實用新型與已有的「或」門相比，使用較為普遍的單壁碳納米管，從材料上降低了器件製作的難度；在結構上，只使用一根單壁碳納米管就可以實現功能，並且首次使用了雙柵結構，與現有技術相比，極大地減小了柵極面積，從工藝上進一步降低了器件的製作難度。
(4)選取一根直徑為1nm、長度為400nm，單壁碳納米管1，其載流子濃度為9×106cm-1。用原子力顯微鏡將其置於整個器件之上。要求碳納米管放置沒有彎曲，方向基本與電極和柵極方向垂直，並且要與電極和柵極接觸良好。器件封裝後，電極3連接電阻6和恆壓源9，電極2接地，完成器件的製作。器件的截面圖如圖5。
下面結合碳納米管的電學性質和本實用新型的原理圖3，說明本實用新型的工作原理。
本實用新型選用的碳納米管為單壁碳納米管。這種碳納米管的載流子為空穴，在常溫下電阻約為幾百個KΩ。在柵極上加一正偏壓，碳納米管1的載流子濃度將減小。當此正偏壓增大到一定程度時，載流子—空穴將被完全耗盡，此時碳納米管處於截止狀態。碳納米管場效應管和邏輯電路正是利用了碳納米管這一電學特性。
在數字邏輯器件的設計中，最關鍵的問題之一就是統一電路中的的邏輯值。即在整個邏輯電路範圍內必須規定統一的電壓值為邏輯「1」和邏輯「0」，電路的每一個器件的輸入值和輸出值只能存在兩個值，這樣才符合數字邏輯器件的二進位標準。而以往的碳納米管場效應管柵極的控制電壓和源漏電極的輸入電壓不統一。在柵極的絕緣層厚度為140nm時，將碳納米管耗盡時柵極的電壓一般在6V左右，而源漏極輸入電壓一般不小於1.5V。若源漏極間電壓大於1.5V，碳納米管1中的電子會因為獲得了足夠的能量而衝過柵極偏壓所形成的勢壘到達漏極，從而使碳納米管再次進入導通狀態。為了統一電壓值，就要降低柵極的耗盡電壓。方法之一就是減小柵極絕緣層的厚度，以增大柵極電壓的作用效果。
我們通過下面的計算確定柵極絕緣層的厚度。
已知，碳納米管1與柵極4、5之間的截斷電壓存在下列關係Q＝CVG，T(1)VG，T為截斷電壓，Q為載流子所帶電荷，C為碳納米管1和柵極4、5之間的電容。
Q與載流子濃度滿足公式Q＝peL (2)p為載流子濃度；e為載流子所帶電荷，在p型碳納米管中載流子為空穴，所以這裡e＝+1.6×10-19庫侖；L為碳納米管1與柵極4、5接觸部分的長度。
又知碳納米管1與柵極4、5之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h為碳納米管1與柵極4、5之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為碳納米管1半徑；ε是介電常數，在這裡我們取ε＝2.5。將公式(2)、(3)帶入公式(1)中可得Peln(2h/r)＝2πεε0VG，Th=12re(20VG,Tpe)---(4)]]>本實用新型選擇半徑為0.8nm，載流子濃度約為9×106cm-1單壁碳納米管。同時選取Y0為+1.2V，即在本數字邏輯電路中+1.2V即為邏輯「1」。將1.2V作為柵極4、5截止電壓VG、T帶入公式(4)中，可得h≈3nm。當柵極4、5絕緣層厚度為3nm時，1.2V的柵極4、5電壓就可以讓碳米管處於截止狀態。同時，通過前面對碳納米管的導電性質的討論也可以知道，若此時在碳納米管1兩端加1.2V的電壓將不改變碳納米管的截止狀態。這樣就統一了電路中的電壓值，因此我們可以在此規定電壓值+1.2V為邏輯值「1」，電壓值0V為邏輯「0」。
器件的工作原理參照圖3，當兩輸入端4、5的輸入均為0V，即邏輯值「0」時，碳納米管1處於導通狀態。此時輸出端3沒有電勢差，所以輸出端3輸出電壓為0V，即為邏輯值「0」；當兩輸入端4、5中的任一個或者兩個輸入均為1.2V，即邏輯值「1」時，碳納米管處於截止狀態。此時，輸出端3與恆壓源9有相同的電勢。因為恆壓源9電壓為+1.2V，所以輸出端此時輸出電壓也為+1.2V，即邏輯值「1」。這樣，通過柵壓改變碳納米管的導通狀態就可以實現邏輯「或」運算。本實用新型的電路邏輯真值表如表1所示。

實施例2按圖6製作本實用新型的另一種碳納米管雙柵結構的「或」門邏輯器件。
選取(001)取向的矽作為襯底11。利用有機氣相沉積方法(PECVD)，在襯底11上製備300nm厚的SiO2層10。首先製作柵極4、5在SiO2絕緣層10之上均勻塗抹厚度為80nm厚的電子光刻膠(PMMA)。電子束曝光後的光刻膠經過顯影、定影，去除曝光的光刻膠後，在光刻膠層上形成兩條寬30nm、相距50nm的溝槽。使用幹法刻蝕法刻蝕沒有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層上形成兩條寬30nm，深30nm的溝槽。利用電子束蒸發的方法，在整個器件表面沉積一層30nm厚的Al。將光刻膠剝離、清洗，再經過氧化，使Al表面形成2-3nm厚的A12O3絕緣層。這樣就完成了柵極4、5的製備。選取一根直徑為1nm、長度為400nm，單壁碳納米管1，其載流子濃度為9×106cm-1。用原子力顯微鏡將其置於整個器件之上。要求兩個柵極4、5基本處於碳納米管1中間的位置，碳納米管1放置平直，方向基本與電極和柵極4、5方向垂直，並且碳納米管1要與柵極4、5接觸良好。碳納米管1放置到位後，用聚焦離子束(FIB)方法在柵極4、5兩側、距兩個柵極50nm的位置，製備兩個寬度為0.1μm、高度為50nm的金電極2、3。兩電極方向與柵極平行。器件封裝完畢後，電極3連接電阻6和恆壓源9，電極2接地，完成器件的製作。
在此，電阻6的電阻值應大約為幾個MΩ。恆壓源9電壓應為Y0，此偏壓應為本邏輯器件規定的邏輯值「1」。
其製作工藝中的關鍵是製作儘可能薄的並且絕緣性良好的柵極絕緣層。減小絕緣層的厚度可以進一步降低柵壓，提高邏輯器件的性能和可靠性。
權利要求1.一種碳納米管「或」門邏輯器件，包括襯底(11)、絕緣層(10)、碳納米管(1)、柵極(4)、(5)、電極(2)、(3)及電阻(6)，在襯底(11)上設絕緣層(10)；其特徵在於在絕緣層(10)上設兩柵極(4)、(5)，在兩柵極(4)、(5)兩側的絕緣層(10)上設兩電極(2)、(3)，並且兩柵極(4)、(5)與兩電極(2)、(3)平行排列；一碳納米管(1)垂直放置在襯底(11)的絕緣層(10)上，它與柵極(4)、(5)和電極(2)、(3)相接觸；兩電極(2)、(3)中的一電極(2)接地，另一電極(3)通過電阻(6)與一恆壓(9)相連。
2.如權利要求1所述的碳納米管「或」門邏輯器件，其特徵在於所述的絕緣層(10)的厚度為35nm至100μm。
3.如權利要求1所述的碳納米管「或」門邏輯器件，其特徵在於所述的柵極(4)、(5)和電極(2)、(3)的寬度為10nm至50μm。
4.如權利要求1所述的碳納米管「或」門邏輯器件，其特徵在於所述的柵極與柵極及柵極與相鄰電極之間的距離為5nm至100μm。
5.如權利要求1所述的碳納米管「或」門邏輯器件，其特徵在於所述的電極(2)、(3)置於碳納米管(1)之下，或置於碳納米管(1)之上。
6.如權利要求5所述的碳納米管邏輯「或」門器件，其特徵在於所述的電極(2)、(3)設置於襯底絕緣層(10)和碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm。
7.如權利要求5所述的碳納米管邏輯「或」門器件，其特徵在於由貴金屬沉積製備的電極(2)、(3)設置於碳納米管之下，位於兩柵極兩側的絕緣層中的溝槽內。
專利摘要本實用新型涉及一種碳納米管「或」門邏輯器件；該器件包括襯底、在襯底上設一絕緣層、碳納米管、柵極、電極及電阻；其特徵在於在絕緣層上的溝槽內設兩柵極，在兩柵極兩側的絕緣層上的溝槽內設兩電極；一碳納米管垂直於柵極和電極放置在絕緣層上，並與柵極和電極相接觸；兩電極中的一電極接地，另一電極通過電阻與一恆壓相連。利用兩個柵極控制碳納米管截止或導通，從而實現邏輯「或」功能；與其他碳納米管邏輯電路相比，本實用新型邏輯「或」門電路結構簡單，且易於製作和集成。
文檔編號H03K19/20GK2567779SQ0223961
公開日2003年8月20日 申請日期2002年7月5日 優先權日2002年7月5日
發明者趙繼剛, 王太宏 申請人:中國科學院物理研究所