一種碳納米管納電子器件及其製備方法
2023-10-11 01:34:39 1
專利名稱：一種碳納米管納電子器件及其製備方法
技術領域：
本發明屬於納電子學領域，特別涉及一種以碳納米管為基的納電子器件，以及實現碳 納米管與金屬電極間高性能接觸的方法。
背景技術：
納電子器件的研究是當今納米科學技術中最為重要的領域。碳納米管以其獨特的電學 性能被認為是最有希望的納電子器件的構建材料。用碳納米管構建的各種納電子器件如場 效應電晶體、邏輯運算電路、振蕩器、生物以及化學傳感器等已經被廣泛地研究，器件的 性能在許多方面已經超過目前的微電子器件。這些都大大地促進了納電子器件的實用化進程。以碳納米管為基的各種納電子器件中都不可避免地涉及到碳納米管與外部電極、以及 各碳納米管之間的連接問題。目前廣泛採用的是用金屬連接，即採用各種微加工的方法選 擇適當的金屬材料把碳納米管連接起來構建成納電子器件。目前採用金屬鈀(Palladium, Pd)已經實現了與碳納米管的p型高性能接觸[A. Javey， J. Guo, Q. Wang, M. Lundstrom, H. Dai， Nature, 424, 654(2003)]。採用Pd做接觸電極的碳納米管場效應電晶體不僅可以獲得歐 姆接觸，而且可以實現載流子的彈道輸運，部分性能已經遠遠超過了目前基於矽技術的的 p型MOSFET。眾所周知，作為邏輯電路基本單元的CMOS同時需要p型和n型場效應電晶體。 儘管p-型碳納米管場效應電晶體己經製備得很好，但n型碳納米管場效應電晶體的研究還遠' 遠落後於p型器件。目前用來製備n型碳納米管場效應電晶體的方法主要有兩種， 一種是來 用低功函數的金屬(如A1， Mg, Ca) [Y. Nosho， Y. Ohno， S. Kishimoto, T. Mizutani， Nanotechnology, 17, 3412(2006)， Ali Javey， Qian Wang, Woong Kim, and Hongjie Dai， IEEE IEDM2003]作為電極材料來實現金屬與碳納米管的n型接觸，一種是對碳納米管本身進行電 子型摻雜從而實現n型器件[A. Javey, R. Tu， D. B. Farmer, J. Guo, R. G. Gordon, and H. Dai， Nano Lett, 5, 345(2005)]。但是，第一種方法得到的n型器件的性能較差，開關電流比和開 態電流值都比較小。第二種方法雖然可以得到性能較好的n型器件，但是摻雜並不穩定， 器件必須處於一定的化學環境中才行，當環境(如溫度、氣氛)發生變化時器件的性能隨 之變化，實用性較差。因此，如何實現碳納米管與金屬電極間的高性能的n型接觸已經成 了限制納電子器件實用化的重要因素。發明內容本發明的目的在於提供一種具有高性能接觸的碳納米管納電子器件，以及能夠簡單方 便地實現碳納米管與金屬形成高性能的接觸的方法。本發明的以碳納米管為基的納電子器件採用金屬鈧(Scandium, Sc)作為與碳納米管 連接的電極。通過各種微加工技術，把金屬鈧與碳納米管連接起來即可實現高性能的接觸。常用微 加工技術例如1、 通過光刻(電子束或光學光刻)在碳納米管周圍形成電極的形狀，再蒸鍍一層金 屬Sc,然後剝離(lift off)去除不需要的金屬層，這樣就在金屬鈧與碳納米管之間建立了 電極連接。2、 利用納米探針操縱系統，在掃描電鏡(SEM)或透射電鏡(TEM)中，用金屬鈧 做探針的針尖，直接接觸到碳納米管的兩端，建立電極連接。3、 在事先加工好的金屬鈧電極對上加交流電壓，把分散好的碳納米管的溶液滴到電 極對上，利用電泳的原理，在交流電壓的誘導下把碳管排列到鈧電極上，建立電極連接。本發明的方法簡單實用，其能夠實現n型接觸的機理是由於碳納米管的準一維特性， 金屬與半導體型碳納米管接觸時沒有費米面釘扎效應，從而二者接觸形成的Schottky勢壘 高度主要由碳納米管和金屬材料的功函數差決定。碳納米管的費米能級為4.5eV，直徑 1.5nm的單壁碳納米管的能隙約0.6eV，因此碳納米管的價帶底約為4.2eV。為實現n型接 觸必須選擇功函數低於4.5eV的金屬材料做電極。雖然Al(4.3eV)， Mg(3.60eV), Ca(2.87eV) 的功函數較低，伹它們在空氣中極易氧化，難以獲得性能穩定的n型接觸；氧的吸附也會 導致金屬功函數的升高，從而導致Schottky勢壘的升高；另外這三種金屬與碳納米管的浸 潤性也不好，這些都導致了利用Al,Mg，Ca難以與碳納米管形成高性能的n型接觸。已有 的研究結果都表明用Al， Mg, Ca作為電極材料的器件的性能較差。而鈧(Sc)的功函數為 3.3eV(<4.2eV)，在空氣中也比較穩定(有研究表明氧的吸附會使Sc的功函數降得更低)， 而且我們的研究表明Sc與碳納米管的浸潤性能也比較好，因此Sc能夠與碳納米管形成性 能很好的歐姆接觸，不僅可以得到性能穩定的n型器件，而且可以實現電子的彈道輸運。 用Sc做電極的碳納米管場效應電晶體的開關電流比可以超過106，開態電流可以達到20^iA 以上，電子的遷移率可以超過2000cmVVs。本發明提出了利用Sc作為金屬電極材料與碳納米管形成高性能接觸的思想，不僅可 以用於製備高性能的n型碳納米管場效應電晶體，也可以用於製備以碳納米管為基的其他各種高性能的納電子器件，包括生物以及化學傳感器件。根據上面的機理分析，以及本發 明所附實施例的數據表明，利用Sc做電極材料製備出的碳納米管納電子器件(包括場效 應電晶體、生物及化學傳感器件等)不僅性能優異、穩定，而且製備方法簡單易行。本發 明對推動納電子器件的實用化進程具有非常重要的意義，具有廣泛的應用前景。
圖1是以Si02為底柵結構的碳納米管場效應電晶體的結構示意圖。圖2是以鈧為源漏電極的底柵結構的單壁碳納米管(直徑為5nm)場效應電晶體的轉 移特性圖。圖3是以鈧為源漏電極的底柵結構的單壁碳納米管(直徑為5nm)場效應電晶體的輸 出特性圖。圖4是以鈧為源漏電極的底柵結構的單壁碳納米管(直徑為2.5nm)場效應電晶體的 轉移特性圖。圖5是源(S)、漏(D)、柵(G)電極材料均為鈧的頂柵結構的碳納米管場效應電晶體的結 構示意圖。圖6是在掃描電鏡中利用金屬鈧做針尖的探針與碳納米管建立電極接觸的照片。 圖7是在透射電鏡中利用金屬鈧做針尖的探針與碳納米管建立電極接觸的照片。 圖8是利用交流電泳法把碳納米管排列到金屬鈧電極對上建立電極接觸的照片。
具體實施方式
下面結合附圖，通過實施例進一步詳細說明本發明，但不以任何方式限制本發明。實施例1:以鈧(SC)為源漏電極的底柵結構的單壁碳納米管場效應電晶體及其製備如圖l所示的以Si02為柵介質4、以Si為背柵5結構的單壁碳納米管場效應電晶體， 其源(S) 2、漏(D) 3電極材料為鈧(Sc)，位於單壁碳納米管1的兩端。具體製備歩驟 如下1. 通過CVD生長，或者把分散好的碳管溶液滴到襯底上，從而獲得位於Si/SiCh襯底上的碳納米管；2. 通過掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察，記錄下碳納米管的具體位置；3. 在碳納米管上塗光刻膠並通過光學曝光或者電子束光刻形成電極的形狀；4. 將光刻好的樣品放進電子束蒸發系統中，抽真空至3X10—8Torr左右，以1A/s的速 率蒸鍍一層30nm厚的金屬Sc;5.將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到以Si02為柵介質、以Si為背 柵結構的碳納米管場效應電晶體。 用上述方法製備出的器件性能如圖2、圖3和圖4所示當單壁碳納米管的直徑為5nm時，製備出的以鈧(Sc)為源漏電極的底柵結構的單壁碳 納米管場效應電晶體的轉移特性和輸出特性分別如圖2和圖3所示，圖2表明室溫下該器 件的開態電阻約為44 k。，為n型歐姆接觸，圖3表明器件的飽和電流可以超過20 ^A。當單壁碳納米管的直徑為2.5nm時，製備出的以鈧(Sc)為源漏電極的底柵結構的單壁 碳納米管場效應電晶體的轉移特性如圖4所示，在0.5 V的偏壓下該器件的開關電流比可 達106。以上結果表明用鈧(Sc)做為金屬電極材料的確能夠與碳納米管形成高性能的n型接觸。實施例2:以Sc為頂柵結構的碳納米管場效應電晶體及其製備如圖5所示的以Sc為頂柵結構的碳納米管場效應電晶體，其源(S) 8、漏(D) 10、 柵(G) 6電極材料均為鈧(Sc)，單壁碳納米管11位於八1203柵介質層7之下、Si02 9和 Si 12組成的襯底之上。具體製備包括下列步驟1. 通過CVD生長，或者把分散好的碳管溶液滴到襯底上獲得位於Si/Si02襯底上的 碳納米管；2. 通過掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察記錄下碳納米管的具體位置；3. 在碳納米管上塗光刻膠並通過光學曝光或者電子束光刻形成柵電極的形狀；4. 將樣品放進原子層沉積系統中生長一層柵介質層(Zr02,Al203或Hf02);5. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的介質層；6. 塗光刻膠並通過光學曝光或者電子束光刻形成源、漏、柵電極的形狀；7. 將光刻好的樣品放進電子束蒸發系統中，抽真空至3Xl(^Torr左右，以1A/s的速 率蒸鍍一層30nm厚的金屬Sc;8. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到以Sc為頂柵結構的碳納米管 場效應電晶體。實施例3:利用納米探針操縱系統將金屬鈧針尖與碳納米管連接起來1. 獲得碳納米管；2. 利用金屬鈧(Sc)做探針的針尖，在掃描電鏡或透射電鏡的輔助下，把鈧針尖14直 接接觸到碳納米管13的兩端即建立電極連接。如圖6 (掃描電鏡中)、圖7 (透射電鏡中)所示。實施例4:利用交流電泳法把碳納米管排列到金屬鈧電極上1. 製備出金屬鈧電極對；2. 把分散好的碳納米管溶液滴到電極對上；3. 在電極對上加IOV、 100KHz的交流電壓信號，即可把碳納米管16排列到鈧電極 15上，建立電極連接。如圖8所示。
權利要求
1. 一種以碳納米管為基的納電子器件，包括碳納米管和與之連接的電極，其特徵在於，與碳納米管連接的電極是金屬鈧電極。
2. —種以碳納米管為基的納電子器件的製備方法，採用金屬鈧作為電極材料，通 過微加工技術在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接。
3. 如權利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的製備方法，其特徵在於，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是首先通過光刻在碳納米管周 圍形成電極的形狀，再蒸鍍一層金屬鈧，然後剝離去除不需要的金屬層。
4. 如權利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的製備方法，其特徵在於，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是在掃描電鏡或透射電鏡中， 用金屬鈧做探針的針尖，利用納米探針操縱系統將鈧針尖直接接觸到碳納米管 的兩端。
5. 如權利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的製備方法，其特徵在於，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是在金屬鈧電極對上加交流電 壓，把分散好的碳納米管的溶液滴到金屬鈧電極對上，在交流電壓的誘導下把 碳管排列到鈧電極上。
全文摘要
本發明提出了一種實現碳納米管與金屬電極間高性能接觸的方法，由此得到具有穩定得高性能碳納米管納電子器件。本發明的以碳納米管為基的納電子器件採用金屬鈧作為與碳納米管連接的電極。通過各種微加工技術把金屬鈧與碳納米管連接起來即可實現高性能的接觸，可用於製備高性能的n型碳納米管場效應電晶體，也可用於製備以碳納米管為基的其他各種高性能的納電子器件，包括生物以及化學傳感器件。本發明對推動納電子器件的實用化進程具有非常重要的意義，具有廣泛的應用前景。
文檔編號H01L23/48GK101252145SQ20071009036
公開日2008年8月27日 申請日期2007年4月6日 優先權日2007年4月6日
發明者琨 姚, 張志勇, 彭練矛, 梁學磊, 勝 王, 胡又凡, 清 陳 申請人:北京大學