CN101281933A - 一种基于碳纳米管的光电器件、光电集成电路单元及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于碳纳米管的光电器件，以碳纳米管作为导电通道，其一端具有高功函数金属电极，另一端具有低功函数金属电极，通过简单的结构即可实现多种功能器件，包括但不限于双极性场效应晶体管、无阻双极性二极管、发光二极管和光探测器。本发明还提出一种基于碳纳米管的大规模光电集成电路基本单元，以碳纳米管作为导电通道，其上顺序排列两个高功函数金属电极和两个低功函数金属电极，灵活设置各电极电压可获得多种功能器件，包括电子器件和光电器件。本发明进一步提供了一种可实现各种功能的大规模光电集成电路。本发明有望极大地增强现有集成电路芯片的功能，也为规模集成纳米电路提供了全新的设计思路和有效的实施方法。
Description
技术领域
本发明属于纳电子学领域，特别涉及一种基于碳纳米管的高性能多功能光电器件、大规模光电集成电路基本单元及光电集成电路。
背景技术
经过40余年快速的发展，硅基CMOS晶体管的发展已经趋于完美，相应的CMOS器件正在走到其物理极限。目前主流的45纳米技术已经采取了高k技术与金属栅极来取代SiO2栅极绝缘层和高掺杂的多晶硅电极，器件中最为重要的硅导电通道也正在逐渐被应力硅所取代。虽然32纳米技术的开发已近尾声，但是32纳米技术后的微电子如何发展尚未有成熟的方案。在Intel公司的晶体管发展路线图中碳纳米管和半导体纳米线被作为2011年后集成电路发展的一个可能的选项，但尚无具体的成熟方案。
从性能的角度来讲，硅材料并不是半导体材料中最为出众的。许多材料，例如最早研究的锗材料的电子迁移率就比硅材料要高出许多。硅基材料另一个更为严重的缺陷是硅不是直接带隙半导体，这个缺陷严重地影响到了硅基光电器件的发展，导致了硅基集成电路和半导体光电器件基本上是沿着两条平行路径发展的实际现状。虽然近年硅基的光电器件的发展出现了重要的突破，但硅基光电器件和CMOS器件尺度的差异使得近期不太可能将两者有机地集成在一起。
碳纳米管材料与硅材料具有本质的不同。从电学性能的角度来讲，碳纳米管材料的能带结构在费米面附近是完全对称的，电子与空穴的迁移率基本是相同的。实验室测量出来的碳纳米管材料中的电子迁移率已超过了硅和重要的III-V，II-IV半导体材料，包括GaAs；其空穴迁移率更是远远超过了所有半导体材料，是制备CMOS电子器件的理想材料。从光电性能的角度来讲，半导体碳纳米管是直接带隙材料，其带隙和其直径成反比关系。对于1纳米左右的碳纳米管材料其带隙处于红外波段，是理想的通讯用光电材料。最近，北京大学的梁学磊等人(中国发明专利申请，申请号200710090362.4)采用金属钪(Sc)作为电极材料制备出了性能接近理论极限的碳纳米管n型场效应晶体管。随后北京大学的彭练矛等人(中国发明专利申请公开说明书CN101136408A，申请号200710121804.7)在此基础上提出了一种基于半导体纳米材料的CMOS电路及其制备技术，通过采用不同的金属电极接触来控制场效应晶体管的极性，得到了基于碳纳米管的CMOS电路。这些前期的结果为制备基于碳纳米管的大规模光电集成电路打下了基础。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种基于碳纳米管的高性能多功能光电器件。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于碳纳米管的光电器件，包括一栅极和一碳纳米管，碳纳米管和栅极之间为栅介质层，以碳纳米管作为导电通道，在碳纳米管上具有与之直接接触的一个高功函数金属电极和一个低功函数金属电极。
本发明所述的高功函数金属是指功函数高于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Pd；所述低功函数金属是指功函数低于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Sc。高功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的价带相连，有效地向碳纳米管的价带注入空穴；而低功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的导带相连，有效地向碳纳米管的导带注入电子。
对于底栅结构的上述光电器件，其制备方法可以是：如图1所示，在一个导电基底1(底栅或背栅极)上生长一层绝缘层2(即栅介质层，例如SiO2)，在这个绝缘层2上再生长或分布上半导体碳纳米管3，然后在这个碳纳米管3上蒸镀上一个高功函数金属(例如Pd)电极4和一个低功函数金属(例如Sc)电极5，即完成了该器件的制备。为了器件的稳定，还可以在整个器件结构上生长一层绝缘层。
对于如图1所示的结构，将导电基底作栅极，Pd电极做为源(S)电极接地，Sc电极做为漏(D)电极接输入电压(VDD)，当设置Vds＝VDD＝1.0V时，在正的底栅电压(Vgs)下，Sc向碳纳米管的导带注入的电子将主导器件的性能，器件显现为电子型(n-type)；在负的底栅电压下，Pd向碳纳米管的价带注入的空穴将主导器件的性能，器件显现为空穴型(p-type)。该器件的场效应曲线为双极性的(如图2所示)，即对于上述器件设置，该器件功能为一个双极性场效应晶体管(ambipolar FET)。
对于固定的底栅电压(例如0伏)，由Pd电极和Sc电极加上中间的碳纳米管通道就构成了一个两端器件，将Sc电极接地，Pd电极接输入电压，相应的电压-电流曲线如图3所示，这是一个典型的二极管单向导电曲线，相关的工作原理可以用图4来说明。在正偏压下，金属Sc的电子可以直接注入碳纳米管的导带，金属Pd的空穴可以直接注入碳纳米管的价带(如图4(a)所示)，电子和空穴同时参与导电，共同导致一个大的正向电流。在负偏压下，Pd和Sc向碳纳米管注入载流子都会遇到一个位垒，碳纳米管基本是不导电的(如图4(b)所示)。由于在大的正偏压下(2-3V)这个器件对于电子和空穴的注入基本是无阻的，本发明称之为无阻双极性二极管(BFBD，barrier-free bipolar diode)。
在正偏压下，BFBD中电子和空穴共存，导带中的电子有一定的几率会和价带中的空穴作用导致电子-空穴复合，同时发射一个红外波段的光子(如图5所示)。在碳纳米管中电子-空穴的相互作用区约为1个微米。对于一个理想的BFBD器件，当导电的碳纳米管通道的长度远远大于一个微米时，多数注入碳管的电子和空穴都将复合，同时发射光子，其功能为一个高效的发光二极管，或light-emitting BFBD(LEBFBD)。图6所示为一个实验测量得到了电压-电流以及电压-发光功率曲线，其中Vg＝-13V表示固定底栅电压为-13V。需要指出的是该实验中所采用的光探测器的截止波长为1500纳米，而典型的碳纳米管的发光峰值约在2500纳米，因此，图6所示的发光功率仅为LEBFBD发射出来的光强的一小部分，二极管真实的发光效率要比图6所显示的发光效率高出大约1个量级。
上述的BFBD不但可以发光，在外界光照的情况下还可以将光能量有效地转化为光电势或光电流(其原理如图7所示)。图8所示为在0.5伏正偏压的情况下器件中的电流在有光和无光的情况下的比较。图9所示为光照对于BFBD电压-电流曲线的影响。光照显著地增加了电路中的电流，构成了有效光探测器的物理基础。
虽然上述讨论都是基于底栅结构的器件，但同样的讨论也适用于效率更高的顶栅结构器件。在一个绝缘衬底上生长或分布上半导体碳纳米管3，在这个碳纳米管3上蒸镀上一个高功函数金属(例如Pd)电极4和一个低功函数金属(例如Sc)电极5，然后再生长一层栅介质层6(例如HfO2)，最后在栅介质层6上用光学或电子束曝光的方法制备一层金属作为顶栅7，可得到顶栅结构的光电器件(如图10所示)。
可见，本发明的基于碳纳米管的光电器件通过简单的器件结构即可实现多种功能，包括但不限于双极性场效应晶体管、无阻双极性二极管、发光二极管和光探测器。
本发明的第二个目的在于提供一种基于碳纳米管的大规模光电集成电路的基本单元。
本发明的光电集成电路单元包括一碳纳米管和一个或多个栅极，碳纳米管和栅极之间为栅介质层，以碳纳米管作为导电通道，在碳纳米管上顺序排列有与之直接接触的两个高功函数金属电极和两个低功函数金属电极。
对于底栅结构的上述光电集成电路单元，其制备方法可以是：如图11a所示，在一个导电基底1(底栅或背栅极)上生长一层绝缘层2(例如SiO2)，在这个绝缘层上再生长或分布上半导体碳纳米管3，然后在这个碳纳米管3上蒸镀上顺序排列的两个高功函数金属(例如Pd)电极4和两个低功函数金属(例如Sc)电极5，即完成了该电路单元的制备。为了器件的稳定，还可以在整个或部分单元结构上生长一层绝缘层。
这个单元结构由一根半导体碳纳米管和与之连接的两个低功函数(例如Sc)电极和两个高功函数(例如Pd)电极组成。通过适当地设置各金属电极上的电压和栅极电压，即可在这个简单的器件结构单元上实现如下功能：(1)电子型的场效应晶体管(n-FET)；(2)空穴型的场效应晶体管(p-FET)；(3)互补的反相器；(4)双极性场效应晶体管；(5)无阻双极性二极管；(6)发光二极管；(7)光探测器。前三种功能器件的实现在中国发明专利申请公开说明书CN101136408A中已经进行了详细描述，即以两个高功函数金属电极分别为源、漏电极，加上中间的碳纳米管通道构成一个p型FET；两个低功函数金属电极分别为源、漏电极，加上中间的碳纳米管通道构成一个n型FET。具体原理于此不再赘述。而后四种功能器件的实现如前所述。由此，本领域的技术人员只需根据想要实现的功能而对该电路单元灵活设置各电极电压即可获得多种功能器件，包括电子器件(FETs)和光电器件(BFBD，LEBFBD等)。
图11a所示的是底栅结构的电路单元，同样的效率更高的顶栅结构的电路单元也可以实现。在图11a所示的整个或部分单元结构上再生长一层栅介质层6(例如HfO2)后，然后在其上用光学或电子束曝光的方法制备一层金属作为顶栅7，可得到顶栅结构电路单元，如图11b所示，在这个结构中如果设Vds＝V4，Vgs＝VG3，V5＝V3＝0，即可得到一个高效的顶栅n-FET器件，其场效应特性曲线如图12所示，电压-电流特性曲线如图13所示；类似地，如果设Vds＝V4，Vgs＝V5，VG3＝V3＝0，得到了一个高效的底栅n-FET器件。
该光电集成电路单元结构简单，加工方便，电子器件和光电器件的尺度均在纳米量级，可构成通用的纳电子、光电子集成电路的基础。
本发明的第三个目的在于提供一种基于碳纳米管的大规模光电集成电路。
本发明的基于碳纳米管的大规模集成电路实际上是下述三种器件结构单元的任意组合：
A、两个高功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元；
B、两个低功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元；
C、一个高功函数金属电极和一个低功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元。
各器件的栅极通过栅介质层与碳纳米管导电通道连接。这三种器件结构单元可以存在于一根或多根半导体碳纳米管上，根据所需功能，按照预先的设计连接各电极即可得到功能复杂的大规模光电集成电路，如图14所示的是一个底栅结构的电路，而这种组合同样适用于顶栅结构的电路(如图15)。
本发明提出了一种基于碳纳米管的高性能多功能光电器件和一种基于碳纳米管的大规模光电集成电路基本单元，在此基础之上可进一步实现各种功能的大规模光电集成电路。本发明的光电器件和申请人的上一个专利申请(申请号200710121804.7，中国发明专利申请公开说明书CN101136408A)完全兼容，特别是在一个非常简单的电路基本单元中可以完美地实现多种重要的电子学和光电功能。这种多功能器件在纳米尺度的有机集成，有望极大地增强现有集成电路芯片的功能，也为规模集成纳米电路提供了全新的设计思路和有效的实施方法。
附图说明
图1是本发明以SiO2为底栅结构的碳纳米管光电器件的结构示意图。
图2是将Pd电极接地，把Sc电极接1.0V电压，将导电基底做栅极时图1所示器件表现出的双极性FET(ambipolar FET)性能曲线。
图3是在固定的栅极电压下(如0V)，将Pd电极接地，Sc电极接输入电压，图1所示器件表现出的电压-电流曲线。
图4是图3所示电压-电流曲线形成的工作原理示意图，其中(a)表示在正偏压下，Sc和Pd分别向碳纳米管注入电子和空穴，两种载流子同时参与导电；(b)表示在负偏压下，Pd和Sc向碳纳米管注入载流子都会遇到一个高度约为纳米管能隙大小的位垒，碳纳米管基本是不导电的。
图5是BFBD中电子-空穴复合，同时发射一个红外波段的光子，表现出红外发光二极管特性的示意图。
图6是实验测量得到的本发明一个LEBFBD器件的电压-电流以及电压-发光功率曲线。
图7是BFBD在外界光照的情况下将光能量有效地转化为光电势或光电流，表现出光探测器或光电压性能的示意图。
图8为在0.5伏正偏压的情况下BFBD器件中的电流在有光和无光的情况下的比较图。
图9为光照对于BFBD电压-电流曲线的影响结果图。
图10是本发明顶栅结构的碳纳米管光电器件的结构示意图。
图11a是本发明底栅结构的基于碳纳米管的大规模光电集成电路单元的结构示意图。
图11b是本发明顶栅结构的基于碳纳米管的大规模光电集成电路单元的结构示意图。
图12是图11所示的电路单元当Vds＝V4，Vgs＝VG3，V5＝V3＝0时的场效应特性曲线。
图13是图11所示的电路单元当Vds＝V4，Vgs＝VG3，V5＝V3＝0时的电压-电流特性曲线。
图14是把本发明的三种器件结构单元以任意方式组合获得底栅结构的光电集成电路的示意图。
图15a是本发明实施例4的顶栅结构的具有光检测功能的电路的结构示意图；
图15b是图15a所示电路的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
以Pd和Sc为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管高性能多功能光电器件的结构如图1所示，包括一导电基底1、一SiO2绝缘层2和一碳纳米管3，碳纳米管3上具有与之直接接触的一个Pd电极4和一个Sc电极5。具体制备步骤如下：
1.通过定位生长，或者把分散好的单壁碳纳米管溶液滴到有标记的Si/SiO2衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的一根单壁碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察，记录下单壁碳纳米管的具体位置；
3.在衬底上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成Pd电极的形状；
4.将光刻好的样品放进电子束或者热蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层金属Pd薄膜；
5.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层；
6.重复3-5步，在步骤3中定义Sc电极的形状，在步骤4中蒸镀一层金属Sc；
7.给各电极(Pd，Sc和底栅电极)施加适当的电压，即可实现双极性场效应晶体管、
无阻的双极性二极管、发光二极管或光探测器的功能。
实施例2：
顶栅结构的基于碳纳米管的大规模光电集成电路基本单元的结构如图11所示，包括一导电基底1、一SiO2绝缘层2、一碳纳米管3，以及碳纳米管3上顺序排列的两个Pd电极4和两个Sc电极5，在各Pd电极和Sc电极之间的碳纳米管上覆盖有栅介质层6，在栅介质层上是顶栅电极7。具体制备过程包括下列步骤：
1.通过定位生长，或者把分散好的碳纳米管溶液滴到有标记的Si/SiO2衬底上，获得位于Si/SiO2衬底上的一根或多根平行的碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察记录下碳纳米管的具体位置；
3.在衬底上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成栅极的形状；
4.将样品放进原子层沉积系统中生长一层栅介质层(ZrO2，Al2O3或HfO2)。
5.将样品放进丙酮中剥离，或者用腐蚀的方法，去除不需要的介质层；
6.涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成Pd电极的形状；
7.将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真后蒸镀一层金属Pd；
8.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层；
9.重复步骤6～8，在步骤6中定义Sc电极的形状，在步骤7中蒸镀一层金属Sc；
10.重复步骤6～8，在步骤6中定义顶栅电极的形状，在步骤7中蒸镀一层顶栅电极金属。
实施例3：
一基于碳纳米管的大规模光电集成电路如图14所示，两根平行的碳纳米管3位于导电基底1和绝缘层2上，在碳纳米管3上排列有多个Pd电极4和多个Sc电极5。其具体制备过程包括下列步骤：
1.通过定位生长，或者把分散好的碳纳米管溶液滴到有标记的Si/SiO2衬底上，获得位于Si/SiO2衬底上的一根或多根平行的碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察记录下碳纳米管的具体位置；
3.涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成图中所需要的所有的Pd电极的形状；
4.将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层金属Pd；
5.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层；
6.重复步骤3～5，在步骤3中定义所有Sc电极的形状，在步骤4中蒸镀一层金属Sc；
7.根据想要实现的电路功能设置各电极电压。
实施例4：
一基于碳纳米管的光电功能电路如图15所示，位于绝缘衬底上的一根碳纳米管上排列有多个Pd电极和多个Sc电极，以及顶栅介质和位于顶栅介质上的栅电极(Ti/HfO2)。其具体制备过程包括下列步骤：
1.通过定位生长，或者把分散好的碳纳米管溶液滴到有标记的绝缘衬底上，获得位于衬底上的一根或多根平行的碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察记录下碳纳米管的具体位置；
3.涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成图中所需要的所有的Pd电极的形状；
4.将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层金属Pd；
5.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层；
6.重复步骤3～5，在步骤3中定义所有Sc电极的形状，在步骤4中蒸镀一层金属Sc；
7.重复步骤3～5，在步骤3中定义所有栅电极的形状，在步骤4中生长栅介质HfO2并蒸镀一层金属Ti；
8.如图15a所示连接电路，并设置各电极电压。
图15a中，第I部分是电平调节电路，第II部分是光电探测电路，第III部分是信号处理电路。其中，第I部分调节第II部分(即光电功能器件)的输入电压，使其处于工作状态，当有光照到第II部分时会产生一个光电压，这个光电压输送到第III部分后即可以驱动发光二极管发光。这样就构成了一个具有光检测功能的电路，其等效电路图如图15b所示。
Claims (9)
1.一种基于碳纳米管的光电器件，包括一栅极和一碳纳米管，碳纳米管和栅极之间为栅介质层，以碳纳米管作为导电通道，在碳纳米管上具有与之直接接触的一个高功函数金属电极和一个低功函数金属电极。
2.如权利要求1所述的光电器件，其特征在于：所述高功函数金属电极为Pd电极。
3.如权利要求1所说的光电器件，其特征在于：所述低功函数金属电极为Sc电极。
4.一种基于碳纳米管的光电集成电路单元，包括一碳纳米管和一个或多个栅极，碳纳米管和栅极之间为栅介质层，以碳纳米管作为导电通道，在碳纳米管上顺序排列有与之直接接触的两个高功函数金属电极和两个低功函数金属电极。
5.如权利要求4所述的光电集成电路单元，其特征在于：所述高功函数金属电极为Pd电极。
6.如权利要求4所说的光电集成电路单元，其特征在于：所述低功函数金属电极为Sc电极。
7.一种基于碳纳米管的光电集成电路，是按照预先的设计任意组合下述三种器件结构单元并连接各电极后形成的电路：
A.两个高功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元；
B.两个低功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元；
C.一个高功函数金属电极和一个低功函数金属电极加上中间作为导电通道的碳纳米管构成的器件结构单元；
这三种器件结构单元存在于一根或多根半导体碳纳米管上，而各器件的栅极通过栅介质层与碳纳米管导电通道连接。
8.如权利要求7所述的光电集成电路，其特征在于：所述低功函数金属电极为Pd电极。
9.如权利要求7所述的光电集成电路，其特征在于：所述低功函数金属电极为Sc电极。
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