單壁碳納米管「與」門邏輯器件的製作方法
2023-10-23 09:48:42 1
專利名稱：單壁碳納米管「與」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，特別涉及一種以單壁碳納米管為基礎的「與」門邏輯器件。
背景技術：
半導體技術從出現到成熟已經歷了半個世紀的風風雨雨。從那些簡陋而碩大的二極體、三極體，到現在每平方釐米4200萬個電晶體的集成電路，半導體電路一步步地進入人們的生活。時至今日，半導體電路已經成為人們生活中不可或缺的組成部分。當代先進的科學技術無一不和半導體技術息息相關。不敢想像如果沒有電腦、網絡等這些以半導體為基礎的技術，我們的生活會是什麼樣。人們甚至用「數位化生存」來定義現代人的生活方式，可見半導體技術在當今社會的地位。但是，隨著科學技術的不斷發展和人們對器件尺寸和速度等指標要求的不斷提高，半導體器件越來越暴露出其自身的種種缺點。
首先，受傳統的半導體加工工藝的限制，半導體器件的尺寸無法進一步縮小，集成度難以提高。光刻技術是傳統半導體工藝的主要組成部分之一。由於光刻的媒介是光，所以受光波長的限制，目前10nm的加工精讀幾乎已經到達了極限。其次，受半導體器件工作原理的限制，半導體電路的速度無法提高。半導體器件的工作介質是以Si為代表的各種半導體材料，通過摻雜等工藝形成P型或N型半導體。P型和N型的半導體接觸形成的P-N結，是半導體器件工作的基礎。所以其器件的響應速度有一個和其材料有關的極限值。目前半導體技術已經使器件的運行速度接近了這一速度極限值。再次，隨著科學技術的發展，電路的設計和製作也越來越複雜。早期的電路都是單層電路，即所有的器件和連線都在同一平面上，而目前電路大都是多層結構。受半導體材料和工藝的限制，電路結構複雜程度的提高對電路的設計和製作帶來了許多的困難。
以單壁碳納米管和納米線為代表的新一代納米材料和隨之而來的新的加工技術的出現為電路發展開闢了新的道路。單壁碳納米管等納米材料以其獨有的電學特性吸引了人們的注意力，成為下一代電子器件的首選材料，所以以單壁碳納米管為主的納米電路的研究和發展有重要的意義。
1998年，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)用單壁碳納米管制作出場效應管。這種單壁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。場效應管是數字邏輯電路的基礎，因此可以說單壁碳納米管場效應管的出現是邁向納米邏輯電路的第一步。此後，Adrian.Bachtold等人(《科學》SCIENCE，2001，294，1317.)在單壁碳納米管場效應管的基礎之上成功設計製作出在室溫下工作的邏輯門電路和器件，其中包括邏輯「非」電路、邏輯「或否」電路、隨機存儲器和振蕩器。這些單壁碳納米管電路和器件利用單壁碳納米管在偏壓的控制下改變其導通狀態的原理(單壁碳納米管因其結構不同而有不同的電學性質，此處所指的單壁碳納米管在不加柵壓時處在不導通狀態，在加一定的柵壓時處在導通狀態)。同時，Yu Huang等人製作出以半導體納米線為基礎的邏輯「與」電路。這種納米線邏輯電路的工作原理是利用不同摻雜的P型或者N型半導體納米線相互接觸，從而形成P-N結，利用半導體P-N的性質實現邏輯運算。雖然這些單壁碳納米管和納米線電路和器件表現良好，但也有其缺點。在納米電路的製作中，單壁碳納米管和納米線的放置一直是困擾人們的一個難題。目前，人們使用「隧道顯微鏡」(STM)或「原子力顯微鏡」(AFM)技術操控納米材料，將其放置到位。而這些方法存在著效率低、效果差的缺點。Adrian.Bachtold等人製作的電路和器件大都使用一根以上的單壁碳納米管。而在Yu Huang等人製作的納米線電路中使用納米線交叉排列的結構。這些設計為電路的製作帶來和很大的困難，不利於器件的集成。
發明內容
本實用新型的目的是為解決單壁碳納米管邏輯電路結構複雜缺點和降低製作的難度，為了提高器件的製作效率和效果；從而提供一種只使用一根單壁碳納米管、結構簡單的，易於製作和集成的單壁碳納米管「與」門邏輯器件。
本實用新型的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，包括Si襯底，在該Si襯底上設有SiO2絕緣層，單壁碳納米管、柵極、電極和外電路中的電阻；其特徵在於所述的柵極包括兩個獨立的柵極，柵極由在該Si襯底上設置的溝槽內沉積Al及經表面氧化形成的Al2O3絕緣層構成；所述的電極包括3個，電極設置在一根單壁碳納米管之上或之下；柵極和電極相間平行排列；一根單壁碳納米管平直放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面以及電極的貴金屬層表面相接觸；第一電極與第二電極接地，第二電極與襯底上或外電路中的電阻相連。
所述的SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；溝槽的深度在10nm至95μm之間。
所述的單壁碳納米管是單壁碳納米管。
所述的單壁碳納米管的取向與電極和柵極垂直。
所述的柵極和電極相間平行排列；柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
所述的柵極的Al2O3絕緣層厚度在1納米至5納米之間；柵極位於Si襯底上SiO2絕緣層中的兩條溝槽之中。
所述的柵極上表面與在Si襯底上的SiO2絕緣層表面上持平。
所述的電極上表面與在Si襯底上的SiO2絕緣層表面上持平。
本實用新型電路的製作方法是先在絕緣SiO2襯底上腐蝕出用於沉積貴金屬和Al的5道溝槽，再分別將Al和貴金屬電極所需的金屬(如Au)沉積到溝槽內，形成柵極和電極；再將Al柵極氧化，形成Al2O3絕緣層；最後再將單壁碳納米管放置在電極和柵極之上，並且要確保單壁碳納米管與金屬電極之間的接觸良好。這樣製作的目的是確保單壁碳納米管處於一平面結構上，以避免因單壁碳納米管彎曲而形成隧穿結而影響器件性能。
本實用新型與已有的碳納米管和納米線做成的電路相比在結構上，創造性地使用了多柵極和多電極相間排列的結構，並且只使用一根碳納米管就實現了邏輯「與」的功能，使器件易於製作，為未來納米電路的集成開闢了道路。本實用新型的單壁碳納米管邏輯「與」門邏輯器件與已知的邏輯門電路相比有結構簡單，易於製作和集成的優點。
本實用新型的製作方法為將一根單壁碳納米管放置在電極和柵極之上，並且要確保單壁碳納米管與金屬電極之間的接觸良好，這樣確保單壁碳納米管處於一平面結構上，避免了因單壁碳納米管彎曲而形成隧穿結而影響器件性能。
以下結合附圖和實施方式對本實用新型作進一步詳細說明。
圖1為Yu Huang等人製作的半導體納米線邏輯「與」電路；圖2為本實用新型的單壁碳納米管「與」門邏輯器件的原理圖；
圖3為本實用新型的一種實施例的結構示意圖；圖4為本實用新型的另一種實施例的結構示意圖；圖中標示1、單壁碳納米管；2、第一柵極；3、第二柵極；4、第一電極；5、第二電極；6、第三電極；7、SiO2絕緣層；8、Si襯底；9、電阻；10、恆壓源；11、P型Si納米線；12、N型GaN納米線。
具體實施方式
實施例1選取(001)取向的矽作為襯底8。利用有機氣相沉積方法(PECVD)，在襯底8上製備300nm厚的SiO2層7。首先製作柵極2、3在SiO2絕緣層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130nm的溝槽。使用幹法刻蝕法刻蝕沒有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層中形成兩條寬30nm，深30nm、寬130nm的溝槽。利用電子束蒸發的方法，在表面沉積一層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Al2O3絕緣層。這樣就完成了柵極2、3的製備。然後製備電極4、5、6重複以上光刻步驟，在整個器件表面均勻塗抹一層厚度為80nm的光刻膠。光刻膠曝光後，在光刻膠層中形成三條寬30nm的溝槽。一條在柵極的中間，另外兩條在柵極外側、距柵極50nm。使用幹法刻蝕，在沒有光刻膠的SiO2絕緣層中刻蝕出三條寬30nm、深30nm的溝槽。再一次利用電子束蒸發的方法，在整個表面沉積一層厚度為30nm的金。然後將電子光刻膠剝離、清洗後既完成了電極4、5、6的製備。選擇一根長度為300nm，載流子濃度為9×106cm-1單壁碳納米管1，用原子力顯微鏡將其置於整個器件之上。要求單壁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。對器件進行封裝後，連接電阻9和恆壓源10，電極4、6接地，完成整個器件的製備。
器件完成後，整個器件的外觀應由兩個柵極和三個電極組成(參見圖4)。為了避免單壁碳納米管彎曲產生隧穿結，電極和柵極都應和SiO2層持平。單壁碳納米管放置於柵極和電極之上。
本實用新型選用單壁碳納米管。這種半導體性的單壁碳納米管的性質是在常溫下有較好的導電性，其電阻一般為幾百個kΩ。通過實驗可知其載流子為空穴，所以導電類型為p型。其導電性能隨柵壓的改變而改變。在柵壓增大到一定值時，單壁碳納米管將處於截止狀態。
下面結合單壁碳納米管的電學性質和本實用新型的原理圖2，說明本實用新型的工作原理。
如上所述單壁碳納米管在常溫下電阻一般為幾百個KΩ。由實驗可知其載流子為空穴，導電類型為P型。在正向柵極偏壓的作用下，載流子——空穴的濃度將減小。在絕緣層厚度為140nm的情況下，柵極電壓在6V左右，單壁碳納米管中的空穴將被完全耗盡，單壁碳納米管處於截止狀態。同時，本實用新型可知此時，若保持單壁碳納米管的截止狀態，在單壁碳納米管兩端所加的偏壓應不大於1.5V。所以本實用新型規定在本實用新型的電路中，1.2V為邏輯值「1」，0V為邏輯值「0」。
在邏輯電路中，統一的邏輯值是非常重要的，在邏輯電路的所有的部分都應遵守這個規定，這樣才能夠保證電路結構簡單、效率較高、計算可靠。除了輸入端和輸出端要遵守這個規定之外，控制單壁碳納米管的柵極也必須遵守這個規定。
由以上討論本實用新型可知在柵極絕緣層厚度為140nm時，柵極的耗盡電壓為6V。本實用新型通過下面的計算確定，柵極的耗盡電壓為1.2V時，柵極絕緣層的厚度。
已知，單壁碳納米管與柵極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為單壁碳納米管和柵極之間的電容。
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型單壁碳納米管中載流子為空穴，所以這裡e＝+1.6×10-19庫侖；L為單壁碳納米管與柵極接觸部分的長度。
又知單壁碳納米管與柵極之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h為單壁碳納米管與柵極之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為單壁碳納米管半徑；ε是介電常數，在這裡本實用新型取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)]]>本實用新型選擇載流子濃度為9×106cm-1的P型單壁碳納米管。單壁碳納米管半徑為0.8nm，截止電壓為1.2V。帶入公式(4)可得h≈3nm。即在本實用新型中，當Al2O3絕緣層厚度不大於3nm的情況下，單壁碳納米管處於截止狀態。
本實用新型是利用兩個柵極控制單壁碳納米管的導通狀態實現邏輯「與」運算的。當輸入端電極2、3有一個或者兩個的輸入值都為邏輯「0」，即電壓0V時，單壁碳納米管的一部分或者是全部處於導通狀態。此時，輸出端電極5的電壓為0，即邏輯值「0」；只有當輸入端電極2、3輸入的邏輯值均為邏輯「1」，即電壓1.2V時，單壁碳納米管處於截止狀態。此時，輸出電極5電勢與恆壓源10相等，為1.2V，即邏輯值「1」。本實用新型真值表如表1所示。從真值表中可以看出，本實用新型通過柵極對單壁碳納米管狀態的控制實現了邏輯「與」運算。
表1
實施例2選用(001)取向的矽作為襯底8。按實施例1的方法製備SiO2絕緣層7和兩個柵極2、3。選擇一根直徑1nm、長度為600nm的單壁碳納米管1，利用原子力顯微鏡(AFM)技術將其放置於兩個柵極之上。要求兩個柵極應大約處於單壁碳納米管的中間位置，兩柵極與單壁碳納米管接觸良好，並且單壁碳納米管沒有彎曲，方向與兩柵極垂直。單壁碳納米管放置到位後，在兩個柵極的中間兩外側50nm的位置，用聚焦離子束(FIB)方法在單壁碳納米管之上製備三個寬度為0.1μm、高度為200nm的金電極4、5、6。器件的封裝完畢後，連接電阻9和恆壓源10，電極4、6接地，完成器件的製備。
封裝完畢後，器件的整體外形應是由兩個與SiO2層持平的柵極和三個置於SiO2層之上的電極組成(參見圖5)。單壁碳納米管放於柵極之上，由電極固定。
實施例3按實施例1的方法製備兩個柵極2、3和三個電極4、5、6。應用電子束蒸發的方法沉積一條長100μm、直徑為12nm的Al線。其方向與電極垂直、一端與電極5連接，另一段沉積一尺寸為30nm×30nm，厚度為30nm的金電極。經過氧化後，在Al線表面將形成4-5nm厚的Al2O3氧化層。Al線中導通部分的直徑約為2nm。這樣，Al線的電阻大約為幾十個MΩ，電阻9製備完畢。按實施例1的標準和方法挑選和放置單壁碳納米管。最後將器件封裝後，連接恆壓源10，電極4、6接地，完成器件的製作。
製作工藝中的關鍵是製作儘可能薄的柵極絕緣層，同時又要確保絕緣層有良好的絕緣性。減小絕緣層的厚度可以進一步降低柵壓，提高器件的性能和可靠性。
權利要求1.一種單壁碳納米管「與」門邏輯器件，包括Si襯底，在該Si襯底上設有SiO2絕緣層，單壁碳納米管、柵極、電極和外電路中的電阻；其特徵在於所述的柵極包括兩個獨立的柵極，柵極由在該Si襯底上設置的溝槽內沉積Al及經表面氧化形成的Al2O3絕緣層構成；所述的電極包括3個，電極設置在一根單壁碳納米管之上或之下；柵極和電極相間平行排列；一根單壁碳納米管平直放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面以及電極的貴金屬層表面相接觸；第一電極與第二電極接地，第二電極與襯底上或外電路中的電阻相連。
2.根據權利要求1所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於柵極和兩個電極位於襯底上的SiO2絕緣層中的溝槽內，溝槽的深度在10nm至95μm之間；SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；柵極和電極的寬度在10nm至50μm之間。
3.根據權利要求1所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於所述的兩個電極位於襯底的絕緣層和單壁碳納米管之上是在一條貴金屬層覆蓋在其上。
4.根據權利要求1所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於所述的兩個電極位於單壁碳納米管之上是在Si襯底上設置的溝槽內沉積貴金屬構成。
5.根據權利要求1或2或3所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於柵極的絕緣層厚度在1納米至5納米之間。柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
5.根據權利要求1或2或3所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於單壁碳納米管平直放置。
6.根據權利要求1或2或3所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於柵極的上表面與襯底的絕緣層上表面持平。
7.根據權利要求2所述的單壁碳納米管「與」門邏輯器件，其特徵在於電極的上表面與SiO2絕緣層的上表面持平。
專利摘要本實用新型公開了一種以單壁碳納米管為基礎的「與」門邏輯器件，該邏輯器件由一單壁碳納米管、兩個獨立的柵極和三個獨立的柵極構成。中間電極加恆定偏壓並作為輸出端，另外兩個電極接地。利用兩個柵極為輸入端，用來控制單壁碳納米管截止或導通，從而實現了邏輯「與」運算。與其它單壁碳納米管邏輯電路相比，本實用新型結構簡單，且易於製作。
文檔編號H03K19/20GK2566462SQ0223961
公開日2003年8月13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