CN100382256C - 基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于碳纳米管的单电子晶体管的制备方法，属于单电子晶体管的研制领域。该方法包括：先制备微米尺度的十字形金属电极，选择相对的一对金属电极，并在电极对之间搭接上一根碳纳米管(或管束)，在碳纳米管(或管束)上产生一个纳米尺度的间隙尺寸(＜3nm)，即形成了由碳纳米管(或管束)组成的电极对，将单个有机或无机分子(或颗粒)俘获于间隙内，最后利用十字形金属电极中的另外一相对电极作双栅电极，形成单电子晶体管。本发明提出了用碳纳米管作为纳米电极构建单电子晶体管的新方法，它可以有效解决金属电极与分子间的相互作用问题，同时也能有效降低隧道结的电容，从而使器件可望在室温下工作。
Description
技术领域
本发明属于单电子晶体管的研制领域，具体涉及一种基于碳纳米管的单电子晶体管的制备方法。
背景技术
单电子晶体管是微电子科学上的一个重要发现，随着传统的MOSFET按照等比例缩小至纳米尺度，单电子器件已引起越来越多的重视，其高速低功耗的突出优点使得它在未来的集成电路中具有相当广泛的应用前景，甚至有可能成为将来分子计算机的理想构建。
单电子晶体管的主要结构由两个隧道结包围的库仑岛(量子点)所构成。制备单电子器件的关键在于如何控制库仑岛尺寸或者说电极对之间的间隙尺寸。目前该间隙通常是利用各种微/纳精细加工技术来形成，然后用化学或物理的方法将颗粒或有机分子填入间隙，从而形成库仑岛和隧穿势垒。近年来，制备间隙只有几个纳米尺度的电极对大致有以下三种方法：一是通过深亚微米光刻技术(电子束光刻等)形成小尺寸的电极对(T.Sato，H.Ahmed，D.Brown，and B.F.G.Johnson，J.Appl.Phys.，82，696，1997)；二是通过对金属细线条实施电迁移以形成间距在几个纳米的电极(J.Park，A.N.Pasupathy，J.I.Goldsmith，et.al.，Nature，417，722，2002；H.Park，J.Park，Andrew K.L.Lim etc.，Nature，407，57，2000)；三是运用倾斜投影蒸发技术直接蒸镀纳米电极(Sergey Kubatkin，Andrey Danilov，Mattias Hjort，etc.，Nature，425，698，2003；J.Lefebvre，M.Radosavljevic，and A.T.Johnson，Appl.Phys.Lett.，76，3828，2000)。上述器件有两个明显特点：其一器件电极尺寸都在微米尺度范围。电极对之间的间隙虽然可控制在纳米尺度，栅电极所产生的电场容易被微米尺度的电极所屏蔽，栅电极的栅控能力会削弱；另外，上述方法均采用传统的微/纳加工技术来制备电极，受光刻工艺技术的限制很难进一步缩小电极的尺寸(尤其是截面积)，从而也就无法减小隧道结的结电容(C∝S)，根据单电子晶体管的基本原理，要使晶体管在某一温度下能够正常工作，电子的充电能e2/C必须足以克服电子热运动的能量KBT，亦即，e2/C＞＞KBT，因而器件通常很难在室温下工作。其二上述单电子晶体管电极采用金属材料(Au，Pt等)。即使电极尺寸可以不断缩小(至数纳米尺度)，由于金属中含有较高的电子态密度，金属与分子间的相互作用而导致的间隙态将会严重影响器件的正常工作(Damle，P.；Rakshit，T.；Paulsson，M.；Datta，S.；IEEE Trans.Nanotechnol.，1，145，2002)。
发明内容
本发明针对目前单电子晶体管电极尺寸和材料所存在的问题，提出选用碳纳米管作为纳米电极以取代金属材料电极，一方面可大大缩小电极的尺寸、降低隧道结的电容，同时可有效解决金属电极与分子间的相互作用问题，从而有条件使单电子器件在室温工作。
一种制备基于碳纳米管的单电子晶体管，步骤包括：
(1)通过光刻和剥离技术制备金属电极，二对相对金属电极呈十字形排列，其中相对电极的距离为2μm，相邻电极的距离为200-500nm；
(2)在一对相对的金属电极上搭接一根碳纳米管或管束；
(3)在碳纳米管或管束上产生一个尺寸在3nm以下的间隙，以形成碳纳米管(或管束)电极对；
(4)在碳纳米管(或管束)电极间隙中俘获有机单分子、无机单分子、金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒；
(5)选用另外一相对电极作为双栅电极，以形成单电子晶体管。
在金属电极上搭接的碳纳米管可为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管管束或多壁碳纳米管。
可通过真空下电迁移或借助原子力显微镜(AFM)等设备，使搭接在金属电极上的碳纳米管上产生一个尺寸在3nm以下的间隙，形成碳纳米管电极对。
可通过化学或物理气相淀积、交流电泳或借助AFM等手段，在碳纳米管间隙中俘获有机或无机单分子(或颗粒)。
所俘获的有机或无机单分子可为C60、C70等富勒烯分子，并五苯、DNA等有机高分子。
本发明的优点与技术效果
本发明选用碳纳米管作为制备单电子晶体管的电极材料，其中碳纳米管包括：多壁、双壁碳纳米管、单壁碳纳米管管束或金属性单壁碳纳米管。多壁、双壁碳纳米管因其管径较大，通常表现为金属特性，碳纳米管可承受很高的电流密度(大约109A/cm2，约为铜导线的1000倍)，是理想的一维导体。另外，由于碳纳米管具有相对较低的电子态密度，碳纳米管与分子之间可以通过共价键进行连接，用它作为纳米电极能有效解决小尺寸下金属电极与分子间由于较强的相互作用而导致的间隙态问题，从而可以保证器件在小尺寸下能够正常工作。
利用碳纳米管作为电极材料，只需简单的化学方法(如：化学气相沉积)即可获得，无需特殊的加工技术即可大大缩小电极的尺寸，而且可将电极的高和宽同时缩小至数纳米的范围内，有效地减小了截面面积，从而降低隧道结的结电容。早有研究表明，在隧道结宽度为15nm时，当隧道结面积缩小至10×10nm2时，隧道结电容可缩小至3×10-3fF，单电此，利用碳纳米管作电极所制备的单电子晶体管有望在室温下工作。
附图说明
图1为基于碳纳米管的单电子晶体管的结构示意图；
图2为本发明单电子晶体管的结构示意图。
具体实施方式
1、电极设计与制备
为制备碳纳米管(或管束)的纳米电极对，先设计微米尺度的金属电极，电极形状为十字形，设计宽度为2μm，相对电极的间距为2μm，相邻电极的间距为200-500nm。在P型重掺杂的硅衬底上热氧化生长180～300nm厚的二氧化硅用作绝缘层，利用光刻和剥离工艺制备金属电极，其过程是：甩胶光刻，曝光、显影；然后溅射沉积金属，去胶，即可获得金属电极，电极材料为Ti和Au(分别为10nm和100nm)。金属电极及单电子器件结构示意图如附图1所示。
2、在金属电极上搭接碳纳米管(或管束)
选用十字形电极中的其中一对相对电极作源漏电极。将预先纯化的碳纳米管(单壁、双壁、多壁或单壁碳纳米管管束)分散于有机溶剂中(乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等)，并配制合适浓度的碳纳米管溶液以保证在相对的源漏电极之间搭接单根(或单束)碳纳米管。
3、碳纳米管纳米电极的制备
碳纳米管(或管束)搭接于金属电极之后，先通过退火或局部离子束轰击等措施降低碳纳米管与金属电极间的接触电阻，然后高真空下，在碳纳米管两端施加合适的电流使C-C键发生断裂或者借助原子力显微镜针尖，在碳纳米管(或管束)内形成纳米间隙(＜3nm)的碳纳米管(或管束)电极对。
4、有机、无机单分子或颗粒的俘获
在碳纳米管电极对之间俘获单个分子或颗粒，可以通过物理或化学气相淀积(将含有碳纳米管电极对的芯片置于某种有机或无机的蒸气中，通过控制蒸气浓度和淀积速率来实现单分子或颗粒的俘获)、或交流电泳力(碳纳米管电极对之间施加交流电场)，或借助原子力显微镜针尖等将单分子或颗粒填入碳纳米管电极对之间，见附图2。
5、选用十字形电极中的另外一相对金属电极作为双栅电极，以形成单电子晶体管，见附图1。
Claims (5)
1.一种基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法，步骤包括：
(1)通过光刻和剥离技术制备金属电极，二对相对金属电极呈十字形排列，其中相对电极的距离为2μm，相邻电极的距离为200-500nm；
(2)在一对相对的金属电极上搭接一根碳纳米管或管束；
(3)在碳纳米管或管束上产生一个尺寸在3nm以下的间隙，以形成碳纳米管或管束电极对；
(4)将有机单分子、无机单分子、金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒俘获于碳纳米管或管束间隙内；
(5)选用另外一相对电极作为双栅电极，以形成单电子晶体管。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法，其特征在于：在金属电极上搭接的碳纳米管或管束为单壁碳纳米管、单壁碳纳米管管束或多壁碳纳米管。
3.如权利要求1所述的基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法，其特征在于：通过真空下电迁移或借助原子力显微镜设备，使搭接在金属电极上的碳纳米管上产生一个所述尺寸在3nm以下的间隙，形成所述碳纳米管电极对。
4.如权利要求1所述的基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法，其特征在于：通过化学或物理气相淀积、交流电泳或借助原子力显微镜，在碳纳米管间隙中俘获所述有机单分子、无机单分子、金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
5.如权利要求1或4所述的基于碳纳米管的单电子晶体管制备方法，其特征在于：所述有机单分子或无机单分子为富勒烯C60分子、富勒烯C70分子、并五苯或DNA有机高分子。
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