CN115362565A - 在基底上形成纳米结构和场效应晶体管器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在基底上形成纳米结构阵列和场效应晶体管器件的方法。形成纳米结构阵列的方法包括：提供包含纳米结构模板的模板溶液；通过使模板溶液与基底接触，将至少一个纳米结构模板沉积到基底上；以及在基底上形成至少一个固定结构，每个固定结构与至少一个纳米结构模板的全部或部分相交，以将至少一个纳米结构模板的全部或部分固定在基底上。

Description

在基底上形成纳米结构和场效应晶体管器件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年3月31日提交的PCT申请PCT/CN2020/082375、2020年3月31日提交的PCT申请PCT/CN2020/082377、2020年4月1日提交的PCT申请PCT/CN2020/082778和2020年4月1日提交的PCT申请PCT/CN2020/082777的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本申请总体上涉及纳米制造技术，更具体地，涉及在基底上形成纳米结构和场效应晶体管器件的方法。
背景技术
在规划中的高性能节能场效应晶体管(FET)中，优选均匀间隔的小间距(单个FET中两个相邻沟道之间的间隔)半导体沟道。例如，在5nm技术节点及以后，对于光刻定义的Fin-FET，建议采用一致的24nm鳍间距。更小的沟道间距会带来更高的集成密度和导通状态性能，同时具有破坏性短程屏蔽和静电相互作用增强的风险；而均匀间隔的对齐方式可最大程度地减少影响导通状态和关断状态之间切换的沟道混乱。
尽管传统的光刻技术成功地缩小了体材料(例如，硅基底)的沟道间距，但在低于5nm的技术节点上对一维(1D)半导体进行图形化的性能下降了。碳纳米管(CNT)的规划中的沟道间距(～10nm或更小)超出了当前光刻的制造极限(大于10nm)。可选择地，使用物理力或化学识别来组装CNT的薄膜方法可提供超过每微米500个CNT的密度和与硅基FET相当的导通状态性能。但是，伴随的组装混乱(包括交叉、捆绑和不规则间距)不可避免地会降低栅极调制，显示出高达500mV/dec的亚阈值摆幅并降低了开/关比。
因此，需要进一步改进当前的纳米制造技术。
发明内容
本申请的目的之一是提供一种在基底上形成纳米结构阵列的方法以及在基底上形成场效应晶体管(FET)阵列的方法。
在本申请的一个方面，提供了一种在基底上形成纳米结构阵列的方法。该方法包括：提供包括纳米结构模板的模板溶液；通过使模板溶液与基底接触，将至少一个纳米结构模板沉积到基底上；以及在基底上形成至少一个固定结构，所述至少一个固定结构与至少一个纳米结构模板的全部或部分相交，以将至少一个纳米结构模板的全部或部分固定在基底上。
在一些实施方式中，纳米结构模板包括一种或多种物质，所述一种或多种物质选自由以下各项组成的组：核酸模板、修饰的核酸模板、蛋白质模板、聚合物模板、碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的CNT、CNT薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线和氟化物纳米块。
在一些实施方式中，纳米结构模板包括修饰的核酸纳米结构模板，每个修饰的核酸纳米结构模板用至少一个纳米部分进行修饰，并且提供包括纳米结构模板的模板溶液包括：在模板溶液中形成核酸纳米结构模板，核酸纳米结构模板中的每一个核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在至少一个腔体区域外部的非腔体区域；以及将至少一个纳米部分与模板溶液混合，以将至少一个纳米部分组装到核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板包括脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构、核糖核酸(RNA)纳米结构、锁核酸(LNA)纳米结构或肽核酸(PNA)纳米结构。
在一些实施方式中，纳米部分包括一种或多种物质，所述一种或多种物质选自由以下各项组成的组：碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的碳纳米管、碳纳米管薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线和氟化物纳米块。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板的腔体区域由第一类型核酸块形成，核酸纳米结构模板的非腔体区域由第二类型核酸块形成，所述第二类型核酸块在核酸序列上与第一类型核酸块不同。
在一些实施方式中，在模板溶液中形成核酸纳米结构模板进一步包括：在核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域上形成第一类型核酸手柄；以及其中将至少一个纳米部分组装到核酸纳米结构模板中的一个核酸纳米结构模板上进一步包括：在至少一个纳米部分上形成第二类型核酸手柄；以及通过第一类型核酸手柄和第二类型核酸手柄之间的相互作用，将至少一个纳米部分组装到核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域上。
在一些实施方式中，第一类型核酸手柄和第二类型核酸手柄为互补的单链核酸链。
在一些实施方式中，将至少一个纳米结构模板沉积到基底上包括：在基底上形成图形化的对齐层，其中图形化的对齐层包括多个腔体；将包括纳米结构模板的模板溶液浸渍在图形化的对齐层上；以及培养基底以将纳米结构模板扩散到腔体中。
在一些实施方式中，培养基底包括：在密封腔室中使基底脱水或蒸发预定的时间段。
在一些实施方式中，基底包括半导体、氧化物、氮化物、金属、聚合物或石墨烯。
在一些实施方式中，该方法进一步包括：在核酸纳米结构模板的非腔体区域刻蚀核酸纳米结构模板。
在一些实施方式中，通过与非腔体区域的核酸链互补的分割核酸链来刻蚀核酸纳米结构模板。
在一些实施方式中，在其非腔体区域刻蚀核酸纳米结构模板包括：将核酸纳米结构模板刻蚀至使其顶表面基本上平坦。
在一些实施方式中，在基底上形成至少一个固定结构之前，该方法进一步包括：在基底上形成中间层以促进固定结构与基底的粘附。
在一些实施方式中，至少一个固定结构的厚度大于10纳米。
在一些实施方式中，至少一个固定结构包括介电材料或金属材料。
在一些实施方式中，该方法进一步包括：去除至少一个核酸纳米结构模板的至少一部分。
在一些实施方式中，至少一个核酸纳米结构模板的被去除的部分在去除步骤之前未被至少一个固定结构覆盖。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板的至少一部分通过清洗工艺、热退火工艺或化学氧化工艺去除。
在一些实施方式中，纳米结构模板包括第一部分和第二部分，所述第一部分用于形成电子器件，所述第二部分在材料上与第一部分不同，并且该方法进一步包括：去除纳米结构模板的第二部分的至少一部分。
在一些实施方式中，该方法进一步包括：基于固定在基底上的至少一个纳米结构模板，形成场效应晶体管(FET)阵列、传感器阵列、存储单元阵列或量子器件阵列。
在本申请的另一个方面，提供了一种在基底上形成场效应晶体管(FET)阵列的方法。该方法包括：提供包括核酸纳米结构模板的模板溶液，其中核酸纳米结构模板用至少一条纳米线修饰；通过使模板溶液与基底接触，将至少一个核酸纳米结构模板沉积到基底上，所述至少一个核酸纳米结构模板用至少一条纳米线修饰；在基底上形成至少一个固定结构，每个固定结构与至少一条纳米线的全部或部分相交，以将至少一条纳米线的全部或部分固定在基底上；去除未被至少一个固定结构覆盖的至少一个核酸纳米结构模板的至少一部分；在基底上沿着至少一条纳米线形成源极接触和漏极接触；以及在源极接触和漏极接触之间并沿着至少一条纳米线形成栅极结构。
在一些实施方式中，提供包含核酸纳米结构模板的模板溶液包括：在模板溶液中形成核酸纳米结构模板；将至少一条纳米线与模板溶液混合以将至少一条纳米线组装到核酸纳米结构模板上。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板中的每个核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在至少一个腔体区域外部的非腔体区域，并且将至少一条纳米线组装到核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
在一些实施方式中，该方法进一步包括：在核酸纳米结构模板的非腔体区域将核酸纳米结构模板刻蚀至使其顶表面基本上平坦。
在一些实施方式中，该方法进一步包括：从基底的表面去除至少一个固定结构。
在一些实施方式中，纳米线包括碳纳米管或半导体纳米线。
在本申请的又一个方面，提供了一种场效应晶体管(FET)器件。该场效应晶体管器件可以通过前述方面的方法形成。该场效应晶体管器件包括：基底、核酸模板诱导的自组装纳米线、至少一个固定结构、源极接触和漏极接触以及栅极结构。所述核酸模板诱导的自组装纳米线在基底上形成；所述至少一个固定结构形成在基底上并且与纳米线相交；所述源极接触和所述漏极接触在基底上形成；以及栅极结构在源极接触和漏极接触之间并且沿着纳米线形成。
前述内容是本申请的概述，其可以简化、概述并省略细节。本领域技术人员将理解，该部分仅是说明性的，并且不旨在以任何方式限制本申请的范围。此发明内容部分既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。
附图说明
本申请参考的附图构成说明书的一部分。在附图中示出的特征仅示出了本申请的一些实施方式，而没有示出本申请的所有实施方式，除非详细描述另有明确指示，并且说明书的读者不应做出相反的暗示。
图1示出了根据本申请的一个实施方式的在基底上形成纳米结构阵列的方法的流程图。
图2示出了在基底上形成固定结构之后的示例性基底。
图3示出了根据本申请的一个实施方式的在基底上形成纳米结构阵列的方法的流程图。
图4(a)至4(c)示出了根据本申请的一个实施方式的形成核酸纳米结构模板的过程。
图5示出了根据本申请的一个实施方式的在核酸纳米结构模板上组装至少一个纳米部分的过程。
图6示出了根据本申请的一个实施方式的将DNA反手柄包裹在CNT上的过程。
图7示出了根据本申请的一个实施方式的在核酸纳米结构模板的非腔体区域选择性刻蚀核酸纳米结构模板的过程。
图8(A)示出了根据本申请的一个实施方式的将核酸纳米结构模板沉积到基底上的过程；图8(B)示出了根据本申请的示例的在剥离光刻胶之后沉积在基底上的CNT修饰的DNA纳米结构模板的光学和SEM图像；图8(C)示出了图8(B)中的对齐结构在每个特定方向上的计数(左轴)和累积百分比(右轴)的统计数据；以及，图8(D)示出了对齐阵列的角度分布与DNA块晶体模板的长度的关系图。
图9示出了在基底上形成固定链之后在基底上的示例性核酸纳米结构模板。
图10示出了从中去除核酸纳米结构模板后的示例性基底。
图11示出根据本申请的一个实施方式的形成FET器件的方法的流程图。
图12(a)、图12(b)和图12(c)示出根据本申请的一个实施方式的形成FET器件的栅极结构的过程。
图13(a)和图13(b)示出了单沟道无DNA的CNT FET的示例。
图14(a)和图14(b)示出了多沟道无DNA的CNT FET的示例。
图15(a)和图15(b)分别示出了单沟道CNT FET和多沟道CNT FET的Ids-Vgs曲线和gm-Vgs曲线。
图16示出了在沟道界面处具有ssDNA的多沟道CNT FET。(A)示出固定后清洗过程的设计示意图。(B)示出移除模板后沿CNT阵列的x和z投影方向放大的AFM图像。比例尺为25nm。也参见图20和图21。(C)示出在沟道界面和FET制作中引入ssDNA的设计示意图。(D)示出在热退火之前(线I)和之后(线II)对多沟道含DNA的CNT FET的Ids-Vgs曲线(在-0.5V的Vds处以对数绘制)。也参见图24。
图17示出构造顶栅高性能CNT FET。(A)示出制造顶栅无DNA FET的设计示意图。(B)示出沿x和z投影方向放大的SEM图像，用于构建的多沟道CNT FET。虚线框表示已组装的CNT阵列。比例尺为100nm。也参见图26。(C和D)示出单沟道(C)和多沟道(D)CNT FET的Ids-Vgs曲线(实线、左轴、以对数比例绘制)和gm-Vgs曲线(虚线、右轴、以线性比例绘制)。C和D中的线I、线II和线III分别表示-0.8V、-0.5V和-0.1V的Vds。也参见图25和图27。(E)示出用其他高性能CNT FET的报道对D中当前的多沟道CNT FET进行基准测试。先前公布(参考文献3、5、16至18、23至27)的器件性能是在-0.5V的Vds和100nm至500nm的沟道长度下获得的。也参见图32和图33。
图18示出了DNA包裹的CNT的缩小(A)和放大(B)的TEM图像。A中的比例尺为200nm。B中的比例尺为100nm。
图19示出了CNT的高度轮廓。三种不同CNT的AFM图像(A)和相应的高度轮廓(B)。(A)中的虚线表示(B)中高度轮廓的位置。比例尺为100nm。如高度图所示，CNT直径分布范围从小于1nm到～1.5nm。
图20示出了DNA去除后的固定CNT阵列的SEM图像。在虚线框I中，CNT的两端被两个金属条固定，并用于FET构造。在虚线框II中，未固定的CNT端在DNA去除过程中可能会受到干扰，因此未用于FET构造。比例尺为500nm。
图21示出了去除DNA后固定的CNT阵列的AFM图像。(A)示出由两个金属条固定的CNT阵列的3D缩小视图。(B)示出由金属条固定的CNT的放大图。比例尺为25nm。(C)示出去除DNA后固定的CNT阵列的更多放大的AFM图像。比例尺为50nm。
图22示出了在沟道界面处的不同组成的示意图。(A)示出组装后和(B)示出去除DNA模板和金属离子后。
图23示出了所构建的多沟道含DNA的CNT FET的缩小SEM图像。比例尺为200nm。
图24示出了多沟道含DNA的CNT FET的Ids-Vgs曲线。热退火之前(A)和之后(B)的CNT FET。不同的曲线代表不同的CNT FET。(C)示出在2V至-3V的重复测量下，(A)中的一个含DNA的CNT FET。不同的曲线代表不同的测量结果。(A)、(B)和(C)中的Vds均设置为-0.5V。将Ids相对于CNT间间距归一化。
图25示出了所有可操作的单沟道无DNA的CNT FET的Ids-Vgs曲线。不同的曲线代表不同的CNT FET。将Vds设置为-0.5V。
图26示出了所构建的多沟道无DNA的CNT FET的缩小SEM图像。比例尺为200nm。
图27示出了所有可操作的多沟道无DNA的CNT FET的Ids-Vgs曲线。不同的曲线代表不同的CNT FET。将Ids相对于CNT间间距归一化。将Vds设置为-0.5V。
图28示出了在200nm沟道长度下具有最高导通电流密度的多沟道无DNA的CNT FET的Ids-Vds曲线。不同的曲线代表不同的Vgs。Vgs的范围为-1.8V至0.2V，步长为0.2V。将Ids相对于CNT间间距归一化。
图29示出了具有100nm沟道长度的多沟道无DNA的CNT FET的传输性能。(A)示出在-0.5V的Vds处的Ids-Vgs曲线(左轴，以对数比例绘制)和gm-Vgs曲线(右轴，以线性比例绘制)。将Ids和gm相对于CNT间间距归一化。(B)示出Ids-Vds曲线。不同的曲线代表不同的Vgs。Vgs的范围为-1.4V至0.6V，步长为0.2V。
图30示出了含有金属CNT杂质的多沟道无DNA的CNT FET的Ids-Vds曲线。将Vds设置为-0.5V。将Ids相对于CNT间间距归一化。
图31示出了具有不同界面组成的所构造的多沟道CNT FET的性能比较。从(A)到(E)，比较了不同FET样品的跨导、亚阈值摆幅、阈值电压、导通状态电导和Ion/Ioff。正方形代表退火之前包多沟道含DNA的CNT FET。圆圈代表热退火后的多沟道含DNA的CNT FET。三角形代表多沟道无DNA CNT FET。样品编号是每个FET分配的测试编号。从(F)到(J)，统计不同沟道组成的跨导、亚阈值摆幅、阈值电压、导通状态电导和Ion/Ioff。条形I代表退火之前多沟道含DNA的CNT FET。条形II代表热退火后的多沟道含DNA的CNT FET。条形III代表多沟道无DNA的CNT FET。所有性能数据都是在-0.5V的Vds处获得的。对于退火前后的多沟道含DNA的CNT FET，在-3.0V的Vgs下获得了其性能数据。对于多沟道无DNA CNT FET，性能数据是在-1.5V的Vgs下获得的。
图32示出了具有不同的CNT间间距的CNT FET的基准测试。我们的多沟道CNT FET与其他报道(甚至是CNT间间距)进行了基准测试，其涉及：(A)，亚阈值摆幅，(B)，跨导(gm)和(C)，导通状态电导(Gon)。在-0.5V的Vds下获得了先前公布(参考文献3、5、15、23)的器件性能。具体地，从(参考文献23)中的图4D，(参考文献3)中的图4A和图4C，(参考文献5)中的图2A和图2B以及(参考文献15)中的图3C和图4B获得传输性能。沟道长度范围从100nm到500nm。在每个面板中，相对于结构参数(CNT间间距)绘制了传输性能(即，亚阈值摆幅、导通状态电导和跨导)。高传输性能要求同时显示较小的亚阈值摆幅、高跨导和高导通状态。与具有不同CNT间间距的其它FET相比，我们的多沟道CNT FET表现出最小的亚阈值摆幅、最高的跨导和第二高的导通状态电导。
图33示出了具有不同CNT密度的CNT FET的基准测试。我们的多沟道CNT FET与有关高密度CNT阵列(不均匀的CNT间间距)的其它报道进行了基准测试，其涉及：(A)，亚阈值摆幅，(B)，跨导(gm)和(C)，导通状态电导(Gon)。先前公布(参考文献16至18、24至29)的器件性能在-0.5V的Vds下获得。具体地，可以从(参考文献17)中的图4D、(参考文献18)中的图1D、(参考文献16)中的图1F、(参考文献25)中的图2C、(参考文献29)中的图4A、(参考文献28)中的图11、(参考文献26)中的图4B、(参考文献27)中的图2B和图2D，以及(参考文献24)中的图4C获得这些传输性能。沟道长度范围从100nm到500nm。在每个面板中，相对于结构参数(CNT密度)绘制了传输性能(即，亚阈值摆幅、导通状态电导和跨导)。高传输性能要求同时表现出较小的亚阈值摆幅、高跨导和高导通状态电导。与具有不同CNT密度的其它FET相比，我们的多沟道CNT FET表现出第二小的亚阈值摆幅、最高的跨导和第三高的导导通状态电导。值得注意的是，具有最小亚阈值摆幅的FET(参考文献27)表现出小于5uA/um的导通电流密度，这不能满足高性能CNT FET的传输要求。
图34示出了具有16nm的CNT间间距的组装的固定宽度的CNT阵列的缩小的TEM图像。固定宽度的DNA模板在34nm处表现出规定的宽度。箭头表示DNA模板上已组装的CNT。比例尺为100nm。
图35示出了在120个腔体上对齐的CNT修饰的DNA模板的SEM图像。缩小的SEM图像中的矩形框表示放大的位置。放大的SEM图像中的箭头表示对齐的DNA模板。比例尺为2um。
图36示出了放置在矩形PMMA腔体位置内的DNA模板的SEM图像。在长宽比为1的情况下，PMMA腔体的宽度设计为2um。比例尺为4um。
图37示出了用于制备CNT阵列的不同方法，所述CNT阵列具有设计器的阵列宽度，阵列间间距以及超过厘米级的CNT计数。(A)示出用组装后的刻蚀步骤处理连续的CNT薄膜(具有随机取向)，以生成设计器阵列宽度/阵列间间距/CNT计数。(B)示出将固定宽度的CNT阵列(使用3D DNA纳米沟槽组装)放置在预制的PMMA腔体内，然后进行PMMA剥离和DNA去除，可以直接生成设计器阵列的几何形状，而无需进行后组装刻蚀。
具体实施方式
本申请的示例性实施方式的以下详细描述参考了形成说明书一部分的附图。附图示出了其中可以实践本申请的具体示例性实施方式。这些附图并非意图按比例绘制。为了清楚起见，并非每个组件都在每个附图中标记。包括附图的具体实施方式足够详细地描述了这些实施方式，以使本领域技术人员能够实践本申请。在不脱离本申请的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以进一步利用本申请的其他实施例，并进行逻辑、机械和其他改变。因此，以下具体实施方式的读者不应以限制性的意义来解释该描述，并且仅所附权利要求书限定了本申请的实施方式的范围。
在本申请中，除非另有明确说明，否则单数的使用包括复数。在本申请中，除非另有说明，否则“或”的使用表示“和/或”。此外，术语“包括”以及诸如“包括了”和“被包括”之类的其他形式的使用不是限制性的。另外，除非另有明确说明，否则诸如“元件”或“组件”等术语涵盖包括一个单元的元件和组件、以及包括一个以上子单元的元件和组件。另外，本申请中使用的章节标题仅出于组织目的，并且不应被解释为限制所描述的主题。
已经发现，使用生物实体(例如，生物分子和活生物体)来组织功能材料，即生物制造，可以使制造分辨率超出当前的光刻限制。特别是，自组装的脱氧核糖核酸(DNA)结构已经模板化了各种形状特定的材料，包括氧化物、石墨烯、等离子体、聚合物、CNT和金属互连。尽管有这些示范，但是通过生物制造构造高性能FET仍然是一个挑战。除了典型的组装混乱外，组装的半导体和其他材料周围的污染物还使FET的传输性能进一步恶化。同时，在生物模板材料的表面排布期间的宽取向分布阻止了生物制造的大规模对齐。
本申请的实施例提供了在纳米精度生物分子自组装与固态高性能电子器件之间的缺失的桥梁。通过使用自组装的密集核酸(例如，DNA)纳米沟槽来固定和限制DNA杂交介导的(hybridization-mediated)CNT对齐，开发了纳米管电子器件的空间受限集成(SHINE:Spatially Hindered Integration of Nanotube Electronics)，用于构建均匀间隔的CNT阵列。对DNA沟槽进行周期性编程可以合理地将CNT间间距的尺度缩减到当前光刻限制之外。与用薄膜方法制备的间距精度相比，表示阵列均匀性的间距精度提高了。由于静电排斥，未对齐的CNT被DNA纳米沟槽排斥。进一步引入了固定后清洗的方法，以去除DNA模板而不会降低CNT对齐。基于均匀的CNT间间距和干净的沟道界面，构造了固态多沟道PMOS(p沟道金属氧化物半导体)CNT FET，其同时显示了高导通状态性能和快速的开/关切换。使用光刻限定的PMMA腔体在空间上限制CNT修饰的固定宽度DNA模板的位置，展示了在厘米级硅基底上具有指定几何形状的对齐阵列。使用SHINE，可以从DNA、RNA和蛋白质进行可处理的生物制造，从而可以将电子材料的厘米级组装以单分子分辨率引导到设计器器件中。因此，在生物电子界面上构建高性能超小尺寸器件可以在未来的后硅时代实现多种应用，例如多路复用的生物分子传感器和3D FET/存储器，或者各种类型的机械、光学或磁性器件或纳米级分辨率的结构。
图1示出了根据本申请的一个实施方式的在基底上形成纳米结构阵列的方法100的流程图。方法100可以包括以下步骤110-140。
在步骤110中，提供包括纳米结构模板的模板溶液。
在一些实施方式中，纳米结构模板可包括但不限于：核酸模板、修饰的核酸模板、蛋白质模板、聚合物模板、碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的CNT、CNT薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线和氟化物纳米块。
在一些实施方式中，纳米结构模板可以包括修饰的核酸纳米结构模板。例如，纳米结构模板可以是CNT修饰的核酸纳米结构模板，或金纳米棒修饰的核酸纳米结构模板。
在一些实施方式中，纳米结构模板在溶液中形成。在另一些实施方式中，纳米结构模板仅在溶液中混合。溶液可以根据纳米结构模板而变化。
在步骤120中，通过使模板溶液与基底接触，将至少一个纳米结构模板沉积到基底上。
基底是指在其上施加了另一种物质的物质。在一些实施方式中，基底可以包括但不限于硅、二氧化硅(也称硅石)、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅和锗的合金、或磷化铟(InP)。在一些实施方式中，基底可以包括氮化硅、碳和/或聚合物。在一些实施方式中，基底可以是无机的或有机的。在一些实施方式中，基底可以包括石墨烯和/或石墨。在一些实施方式中，基底包括金属，例如铝、铜或铁。在一些实施方式中，基底是任何两种或更多种材料的复合体(例如，包括混合物)(例如，无机材料和有机材料的复合体，或者两种或更多种不同的无机材料或有机材料的复合体)。例如，基底可以包括无机和有机材料的混合物、两种或更多种不同的无机材料的混合物或两种或更多种不同的有机材料的混合物。在一些实施方式中，基底包括半导体材料或半导体材料的混合物。半导体材料包括但不限于IV族元素半导体、IV族化合物半导体、VI族元素半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、I-VII族半导体、IV-VI族半导体、IV-VI族半导体、V-VI族半导体、II-V族半导体、氧化物、层状半导体、磁性半导体、有机半导体、电荷转移复合物及其组合。
在一些实施方式中，将纳米结构模板沉积到基底上可以包括：在基底上形成具有多个腔体的图形化的对齐层，以及在基底上沉积纳米结构模板以将纳米结构模板扩散到多个腔体中。优选地，可以在扩散之后将基底进一步培养，例如通过脱水或蒸发进行培养，以从基底中除去溶剂。在一些实施方式中，每个腔体可以填充有一个纳米结构模板，并且在一些其他实施方式中，每个腔体可以填充有一个或多个纳米结构模板。
在一些实施方式中，纳米结构模板可以直接沉积在基底上，而无需在基底上形成具有多个腔体的图形化的对齐层。
关于在基底上沉积至少一个纳米结构模板的示例性过程的更多细节可以参考2020年3月31提交的标题为“在基底上沉积纳米结构模板的方法和纳米结构阵列”的PCT申请PCT/CN2020/082377，以及2020年4月1提交的标题为“在基底上沉积纳米结构模板的方法和纳米结构阵列”的PCT申请PCT/CN2020/082777，其全部内容通过引用并入本申请。
在步骤130中，在基底上形成至少一个固定结构，并且该至少一个固定结构与至少一个纳米结构模板的全部或部分相交，以将至少一个纳米结构模板的全部或部分固定在基底上。
在一些实施方式中，固定结构可以包括介电材料或金属材料。期望用于固定纳米结构模板的固定结构的材料对纳米结构模板和基底具有相对强的粘附力。例如，固定结构可以包括Mo、Pd、Au、Ti、SiO2或HfO2。
在一些实施方式中，在基底上形成固定结构之前，在基底上形成中间层以促进固定结构对基底的粘附。中间层的材料可以根据固定结构和基底的材料而变化。例如，如果基底是SiO2，并且固定结构是金，则可以在它们之间形成Cr或Ti中间层以促进粘附。在一些其他实施方式中，可以在基底的表面上执行金属化工艺、盐化工艺或化学改性工艺以促进其对固定结构的粘附。
在一些实施方式中，固定结构可以具有大于10nm的厚度(例如，20nm、50nm、100nm、150nm等)，以避免在清洗或其他苛刻处理期间破裂。
在一些实施方式中，固定结构可以比纳米结构模板宽，使得固定结构与基底之间存在足够的表面接触，这使得固定结构在基底的表面上稳定。例如，固定结构可以比纳米结构模板宽20nm、50nm、80nm、或100nm。
在一些实施方式中，固定结构可以具有矩形形状。在一些其他实施方式中，固定结构可以具有椭圆形、梯形或其他合适的形状。在一些实施方式中，取决于纳米结构模板的尺寸和形状，可以在基底上形成一个、两个或更多个固定结构以在纳米结构模板的期望位置处与单个纳米结构模板相交。此外，取决于纳米结构模板之间的位置关系以及固定结构的形状和尺寸，两个或更多个纳米结构模板可以共享一个或多个固定结构。
图2示出了在基底上形成固定结构之后的示例性基底。如图2所示，在基底210上沉积多个纳米结构模板220，并且在每个纳米结构模板220上形成两个矩形固定结构230a和230b，以将纳米结构模板220固定在基底210上。
在步骤140中，基于固定在基底上的至少一个纳米结构模板形成一个或多个电子器件。
在基底上形成固定结构之后，纳米结构模板被固定在基底上。然后，可以在纳米结构模板上执行后续工艺以形成期望的电子器件。由于纳米结构模板的对齐质量可以被固定结构保持，因此纳米结构模板在随后的工艺中可以不受到干扰。电子器件可以是FET阵列、传感器阵列、存储单元阵列或量子器件阵列。
在一些实施例中，纳米结构模板可以包括第一部分和第二部分，第一部分用于形成电子器件或其他类型的纳米器件和纳米结构，第二部分在材料上与第一部分不同。在一个示例中，纳米结构模板包括有机部分(例如，生物材料、聚合物材料等)和无机部分(例如，CNT、半导体材料、金属材料、金属氧化物材料等)，电子器件是基于纳米结构模板的无机部分形成的。为了消除有机部分的污染，该方法可以进一步包括去除纳米结构模板的有机部分的至少一部分的步骤。可以通过清洗工艺、热退火工艺或化学氧化工艺去除纳米结构模板的有机部分。在另一些示例中，纳米结构模板可以具有一个或多个有机部分或一个或多个无机部分，可以执行上述工艺或其他合适的工艺以去除这些有机部分和无机部分中的任何一个或多个部分。在一个具体示例中，纳米结构模板是包括聚合物部分和CNT部分的聚合物包裹的CNT，并且可以基于CNT部分形成FET器件。为了消除来自聚合物的污染，可以在形成FET器件之前执行清洗工艺以从CNT去除聚合物。
本领域技术人员应当理解，可以基于固定在基底上的纳米结构模板和/或其各自的纳米部分(nano-moiety)(如下所述)的不同性质来形成各种电子器件或其他纳米器件(例如，光学、磁性或机械纳米器件)。例如，当固定在基底上的纳米结构模板是CNT或半导体纳米线时，可以基于这些CNT或半导体纳米线形成FET或存储单元。当固定在基底上的纳米结构模板是金纳米棒时，可以基于这些金纳米棒形成传感器器件。
图3示出了根据本申请的一个实施方式的在基底上形成纳米结构阵列的方法300的流程图。方法300的纳米结构阵列可以基于固定在基底上的修饰的核酸纳米结构模板形成。方法300可以包括以下步骤310-360。
在步骤310中，在模板溶液中形成核酸纳米结构模板。每个核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在至少一个腔体区域外部的非腔体区域。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板包括一个或多个脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构、一个或多个核糖核酸(RNA)纳米结构、一个或多个锁核酸(LNA)纳米结构、一个或多个肽核酸(PNA)纳米结构、或任何这些纳米结构的组合。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板的每个腔体区域可具有1nm至1μm的宽度(例如，10.6nm、12.7nm、16.8nm、24.1nm或25.3nm)，并且长度为10nm至100μm(例如，500nm、1.5μm、10μm或20μm)。腔体区域可以具有相同的尺寸或不同的尺寸，非腔体区域也可以具有相同的尺寸或不同的尺寸。
在一些实施方式中，核酸纳米结构模板由核酸块形成，核酸块可以被模拟为乐高状块(Y.Ke et al.,DNA brick crystals with prescribed depths,Nature Chem.6,994-1002(2014)，以引用方式并入本申请)。图4(a)至图4(c)示出了形成核酸纳米结构模板的示例性过程。图4(a)示出了用于形成核酸纳米结构模板的DNA块。图4(b)示出了核酸纳米结构模板，其包括多个腔体区域(也称为“沟槽”)和在腔体区域外部的多个非腔体区域(也称为“侧壁”)。核酸纳米结构模板的每个沟槽由第一类型DNA块形成，并且核酸纳米结构模板的每个侧壁由第二类型DNA块形成，第二类型DNA块的核酸序列不同于第一类型DNA块的核酸序列。第一类型DNA块和第二类型DNA块可以可交替地同时组装。在一些实施方式中，第一类型DNA块和第二类型DNA块可包含不同数量和/或排列的螺旋，从而产生不同形状和/或尺寸的DNA块。在图4(a)所示的示例中，第一类型DNA块(6个螺旋×4个螺旋)和第二类型DNA块(6个螺旋×8个螺旋)构成核酸纳米结构模板的特征重复单元，图4(b)中的箭头表示核酸纳米结构模板中的特征重复单元的延伸方向。沿着x-z方向延伸特征重复单元会产生具有平行沟槽的DNA纳米结构模板，每个沟槽都形成在两个相邻的侧壁之间。图4(c)示出了特征重复单元，其中，浅色束和深色束代表特征重复单元的侧壁和底层。
在一个示例中，DNA块组装成核酸纳米结构模板随着多阶段等温反应进行。例如，将90μL未纯化的DNA块混合物(IDTDNA Inc.或Sangon Biotech.，pH 7.9，包含300-600nM的每种块，没有仔细调整每种块的化学计量)、5mM三羟甲基氨基甲烷(Tris)、1mM乙二胺四乙酸(EDTA)和40mM MgCl2依次地在80℃培养15分钟、44℃培养12小时，39℃培养72小时和31℃培养8小时，以获得包含核酸纳米结构模板的溶液。合成后的核酸纳米结构模板无需进一步纯化即可使用。
本领域技术人员应理解，在其他实施方式中，核酸纳米结构模板可具有平坦表面或其他非平坦表面。
在步骤320中，将至少一个纳米部分与模板溶液混合以将该至少一个纳米部分组装到核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
在一些实施方式中，纳米部分包括但不限于：碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的CNT、CNT薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线、氟化物纳米块、单链核酸或双链核酸(例如，DNA、RNA、LNA、PNA)。在一些实施方式中，纳米部分还可以包括但不限于：等离子体纳米材料、荧光/发光纳米材料、铁磁纳米材料、顺磁性纳米材料、反铁磁性纳米材料、超顺磁性纳米材料、半导体纳米材料、导体纳米材料或绝缘体纳米材料。
在一些实施方式中，可以在核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中形成第一类型核酸手柄，并且可以在至少一个纳米部分上形成与第一类型核酸手柄相互作用的第二类型核酸手柄；反之亦然。取决于纳米部分的组装位置，可以形成核酸手柄并将该核酸手柄连接在核酸纳米结构模板和纳米部分的所需位置。可以通过第一类型核酸手柄和第二类型核酸手柄之间的相互作用将纳米部分组装在核酸纳米结构模板上。在一些实施方式中，第一类型核酸手柄和第二类型核酸手柄是部分或全部互补的单链核酸链。
在一个示例中，通过延伸四个选定的DNA块的3'或5'端，在核酸纳米结构模板的腔体区域中引入了四个14核苷酸(nt)单链DNA(ssDNA)手柄(参见图4(c)中的箭头)。然后，参见图5，通过非共价相互作用将DNA反手柄(与在腔体区域中引入的DNA手柄互补的序列)包裹在CNT上，以形成反手柄介导的CNT组装。之后，在温和的条件下，DNA手柄和反手柄介导的CNT组装之间的杂交以规定的CNT间间距在核酸纳米结构模板的平行纳米沟槽内进行。
图6示出了将DNA反手柄包裹在CNT上的示例性过程(Z.Zhao,Y.Liu,H.Yan,DNAorigami templated self-assembly of discrete length single wall carbonnanotubes,Org.Biomol.Chem.11,596-598(2013)，通过引用方式并入本申请)。首先，在缓冲液(1×Tris-硼酸盐EDTA(TBE)和100mM NaCl，pH值为8.3)中L1链(25μM，序列：5'–GATGCGAGGCTATTCTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGT-3')与单壁CNT粉末(0.1毫克)混合。将混合物超声处理1小时，然后以16,000g高速离心30分钟以去除聚集体。然后使用100kD Amicon过滤器(由EMD Millipore提供)纯化上清液，以去除过量的DNA。将L2链(10μM，序列：5'–AGAATAGCCTCGCATCCCACTTACCACTTA-3')添加到纯化的CNT-L1样品中，并在2小时内从37℃退火至23℃，然后在23℃下培养16小时。L2包裹的CNT无需进一步纯化而使用。
然后，在一个示例中，将L2包裹的CNT(0.4μL)与0.4μL稀释的核酸纳米结构模板(10倍稀释到15mM MgCl2溶液中)混合成6μL最终溶液，其中含有10mM MgCl2和400mM NaCl(用于24nm CNT间间距样品)，或10mM MgCl2、300mM NaCl和300mM LiCl(用于16/12/10nmCNT间间距样品)，或15mM MgCl2和600mM NaCl(用于16nm CNT间间距固定宽度的样品)。将反应缓冲液在33℃下培养9小时，然后在不进一步纯化的情况下在4℃下保存。
在一些实施方式中，对于DNA块晶体和DNA包裹的CNT的组装，根据以前的报道使用了缓冲溶液(Y.Ke et al.,DNA brick crystals with prescribed depths,NatureChem.6,994-1002(2014)；Z.Zhao,Y.Liu,H.Yan,DNA origami templated self-assemblyof discrete length single wall carbon nanotubes,Org.Biomol.Chem.11,596-598(2013)，通过引用方式并入本申请)。
在步骤330中，核酸纳米结构模板在其非腔体区域被刻蚀。
在一些实施方式中，通过与非腔体区域上的核酸链完全互补的分割核酸链，在非腔体区域上刻蚀核酸纳米结构模板(B.Wei et al.,Complex Reconfiguration of DNANanostructures,Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,7475-7479,(2014)，通过引用方式并入本申请)。该刻蚀机理是基于互补DNA序列的杂交。当引入用于刻蚀核酸纳米结构模板的非腔体区域的链的特定核酸链时，其只能刻蚀掉在核酸纳米结构模板中与其完全互补配对(即，非腔体区域的链)。在这种刻蚀方法中，在非腔体区域去除一条核酸链显示了在相邻链上新暴露的立足点(toehold)，因此能够去除连接的核酸链，而无需用预先设计的外部立足点修饰该链。通过使用这种方法，可以将核酸纳米结构模板重新配置为规定的形状，并且可以精确地控制刻蚀的厚度。
图7示出了在非腔体区域刻蚀核酸纳米结构模板的示例性过程。在该示例中，在刻蚀之后，核酸纳米结构模板的顶表面基本上是平坦的。在另一些实施例中，非腔体区域的顶表面可以高于或低于腔体区域的顶表面。
可以理解，在一些实施方式中，可以省略步骤330，因此可以不重新配置核酸纳米结构模板的形状。
平坦化核酸纳米结构模板的顶表面有助于去除纳米结构模板上的盐残留，特别是在腔体区域中的盐残留。由于毛细作用力现象，盐残留可能来自核酸纳米结构模板内的剩余溶液。即，在水蒸发之后，剩余溶液中的金属盐可能留在腔体区域内。刻蚀核酸纳米结构模板将降低毛细作用力和剩余溶液，从而减少留在核酸纳米结构模板和CNT上的盐残留。
在步骤340中，通过使模板溶液与基底接触，将核酸纳米结构模板沉积在基底上。
在一些实施方式中，基底可以与上述方法100的步骤120中的基底相同。
在一些实施方式中，将核酸纳米结构模板沉积到基底上可以包括：在基底上形成具有多个腔体的图形化的对齐层；将包含纳米结构模板的模板溶液浸渍在图形化的对齐层上；培养基底以将纳米结构模板扩散到腔体中。在一些实施方式中，培养基底可以包括在密封腔室中使基底脱水或蒸发预定的时间段。在一些实施方式中，每个腔体可以填充有一个核酸纳米结构模板，并且在另一些实施方式中，每个腔体可以填充有一个或多个核酸纳米结构模板。
图8(A)示出了用于将核酸模板沉积到基底上的示例性过程。首先，在尺寸为0.35cm2的硅基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂(Allresist AR-P 672.045)，并使用电子束光刻(Raith Voyager，在0.9nA电流下的325μC/cm2的曝光剂量)进行图形化。在该实施例中，制造了超过5×104个PMMA腔体(表面密度～2×107腔体/cm2)。每个PMMA腔体沿x方向的长度为2.5μm，沿与x-z平面垂直的y方向的高度为150nm。沿z方向的腔体宽度的最小值和最大值分别为180nm和250nm。图形化PMMA层是在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)的1：3混合物中显影，然后用IPA清洗并用氮气干燥。将CNT修饰的DNA纳米结构模板的溶液浸渍到光刻限定的图案上。然后，将硅基底在密封腔室中保持2小时。在此过程中，DNA纳米结构模板扩散到了PMMA腔体中。然后，干燥硅基底，然后剥离PMMA，仅在平坦的硅基底上留下对齐的DNA纳米结构模板。在DNA沉积和PMMA剥离后，DNA纳米结构模板占据了超过85％的初始腔体(计数了约600个腔体)。对600个腔体内的所有剩余DNA纳米结构模板进行基于SEM的计数，测得的角度分布(其限定为DNA纳米结构模板的纵轴与基底x方向之间的差异)在±1°以内为56％，以及在±7°以内为90％。测得的角度分布综合了以下因素的影响：PMMA腔体的制造缺陷、DNA排布期间的变化以及PMMA剥离过程中的干扰。值得注意的是，与以前以DNA为模板的无机材料的大规模排布的报道相比(A.M.Hung et al.,Large-areaspatially ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographicallyconfined DNA origami,Nature Nanotech.5,121-126(2010))，角度分布得到了改善。
DNA纳米结构模板的长度和PMMA腔体的长宽比都可能影响角度分布。与较短的DNA纳米结构模板(长度<500nm，1°±11°)相比，较长的DNA纳米结构模板(长度>1μm)具有更窄的角度分布(0°±3.4°)。另外，具有较高长宽比(例如，10或更高)的PMMA腔体比具有较低长宽比(即，1至3或更低)的PMMA腔体具有更好的取向可控性。因此，较长的DNA纳米结构模板以及较高的PMMA腔体长宽比，对进一步改善角度分布是有益的。
在一些实施方案中，可以将核酸模板直接沉积在基底上，而无需在基底上形成具有多个腔体的图形化的对齐层。在一个实施例中，将230nm厚的PMMA层旋涂到硅晶片上(顶部有300nm厚的SiO2)，并使用Raith Voyager系统(在9nA的电流和780μC/cm2的剂量下)写入精细对准标记图案。对准标记图案在MIBK和IPA的1：3混合物中显影。使用DE400电子束蒸发系统沉积堆叠的钛/金膜(5纳米厚的钛和45纳米厚的金)。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。样品用氮气干燥。然后，将组装的CNT修饰的DNA纳米结构模板(即，在腔体区域中具有CNT的DNA纳米结构模板)的9μL溶液浸渍在经过氧等离子体清洁的标记硅晶片上，然后在室温下培养1小时。之后，将剩余的溶液用氮气吹走。依次用75％、95％和99％的乙醇清洗硅晶片，然后空气干燥。相对于对准标记，记录了CNT修饰的DNA纳米结构模板的位置。
关于将核酸纳米结构模板沉积到基底上的方法的更多细节可以参考2020年3月31提交的标题为“在基底上沉积纳米结构模板的方法和纳米结构阵列”的PCT申请PCT/CN2020/082377，以及2020年4月1提交的标题为“在基底上沉积纳米结构模板的方法和纳米结构阵列”的PCT申请PCT/CN2020/082777，其全部内容通过引用并入本申请。
在步骤350中，在基底上形成至少一个固定结构。该至少一个固定结构与至少一个核酸纳米结构模板的全部或部分相交，以将至少一个核酸纳米结构模板的全部或部分固定在基底上。
可以在如上所述的方法100的步骤130中找到关于在基底上形成至少一个固定结构的过程的一些细节，因此在此对其不再进行详细说明。
在一个实施例中，将230nm厚的PMMA层旋涂到沉积了CNT的硅晶片上。使用RaithVoyager系统(在400pA的电流和750μC/cm2的剂量下)写入固定结构图案。固定结构图案在MIBK和IPA的1：3混合物中显影。使用DE400电子束蒸发系统沉积5纳米厚的钛和60纳米厚的金的堆叠膜。室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。然后，将样品用氮气干燥。
图9示出了在基底上形成固定结构之后的核酸纳米结构模板的示例。在该示例中，在核酸纳米结构模板上形成两个固定结构，并且通过两个固定结构固定每个CNT的两端。这样，固定结构为纳米部分在基底上提供锚点。在一些其他实施方式中，取决于例如纳米部分的长度、尺寸或形状，可以在核酸纳米结构模板上形成三个或更多个固定结构。在一些实施例中，固定结构可以彼此间隔开地形成，从而使得纳米部分的一些部分未被固定结构覆盖，用于随后形成其他结构或组件。在一些实施例中，固定结构可以具有垂直于纳米部分的长度方向的细长形状，如图9所示的固定结构。在一些其他实施例中，固定结构可以具有适合于将纳米部分固定在基底上的任何其他形状(例如，圆形，环形等)。
在步骤360中，核酸纳米结构模板的至少一部分被去除。
在一些实施方式中，在去除步骤之前，核酸纳米结构模板的被去除部分未被至少一个固定结构覆盖。在一些其他实施方式中，所有核酸纳米结构模板被去除。
在一些实施方式中，通过清洗工艺、热退火工艺或化学氧化工艺去除核酸纳米结构模板的至少一部分。例如，用水和H2O2(5％)连续地清洗基底以去除核酸纳米结构模板。图10示出了去除核酸纳米结构模板之后的基底的示例。在该示例中，核酸纳米结构模板基本上从基底表面去除。通常，去除核酸纳米结构模板可以进一步减少留在基底和CNT上的盐残留。
通过使用如上所述的方法300，可以在基底上以期望的排列形成诸如CNT阵列的纳米部分阵列，并且可以消除污染而不降低CNT对齐。因此，可以基于这些纳米部分阵列来构建诸如FET器件之类的高性能超小尺寸器件。
图11示出了根据本申请的一个实施方式的形成FET器件的方法1100的流程图。方法1100可以包括以下步骤1110-1180。
在步骤1110中，在模板溶液中形成核酸纳米结构模板。
在一些实施方式中，每个核酸纳米结构模板可包括至少一个腔体区域和在该至少一个腔体区域外部的非腔体区域。本领域技术人员应当理解，在其他一些实施方式中，核酸纳米结构模板可具有平坦表面或其他非平坦表面。
在步骤1120中，将至少一条纳米线与模板溶液混合，以将至少一条纳米线组装到核酸纳米结构模板上。
在一些实施方式中，当核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在该至少一个腔体区域外部的非腔体区域时，至少一条纳米线被组装到核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
在其他一些实施方式中，当核酸纳米结构模板具有平坦表面时，将至少一条纳米线组装到形成核酸手柄的平坦表面的一部分上。
可以理解，可以预先制备包含具有修饰的纳米线的核酸纳米结构模板或任何其他纳米结构模板的模板溶液。
在步骤1130中，在非腔体区域刻蚀核酸纳米结构模板。
在步骤1140中，通过使模板溶液与基底接触，将至少一个核酸纳米结构模板沉积到基底上。
在步骤1150中，在基底上形成至少一个固定结构，其中，该至少一个固定结构与至少一条纳米线的全部或部分相交，以将至少一条纳米线的全部或部分固定在基底上。
在步骤1160中，去除未被固定结构覆盖的至少一个核酸纳米结构模板的至少一部分。
方法1100的上述步骤1110-1160与方法300的步骤310-360相似，因此在此不再进行详细说明。
在步骤1170中，沿着至少一条纳米线在基底上形成源极接触和漏极接触。
在一些实施方式中，源极接触和漏极接触可以包括任何合适的接触金属，包括但不限于金(Au)、钛(Ti)、钯(Pd)、钪(Sc)等，其使用标准沉积工艺(例如，蒸发，溅射等)形成。
图12(a)示出在形成源极接触和漏极接触之后的器件的示例。在该示例中，在CNT上形成两个固定结构，并且在两个相邻的固定结构之间形成源极接触和漏极接触。可以看出，CNT可以通过两个固定结构固定，其中固定结构之间的部分与源极接触和漏极接触相交，而某些CNT的突出到固定结构外部的端部可以不用于FET构造。
可以使用常规的金属或聚合(poly)形成方法来形成源极接触和漏极接触。在一个示例中，将230nm厚的PMMA层旋涂到CNT阵列上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750μC/cm2的剂量下)写入源电极和漏电极图案。源电极和漏电极图案在MIBK和IPA的1：3混合物中显影。使用DE400电子束蒸发系统沉积0.5纳米厚的钛、30纳米厚的钯和40纳米厚的金的堆叠膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。然后，用氮气干燥样品。
在步骤1180中，在源极接触和漏极接触之间并且沿着至少一条纳米线形成栅极结构。
在一些实施方式中，栅极结构包括栅极介电层和栅极接触。栅极介电层可以包括任何合适的介电材料，包括但不限于SiO2、Al2O3、HfO2、Si3N4、Y2O3等，其使用标准沉积工艺例如蒸发、溅射等形成。
图12(b)和图12(c)示出了形成栅极结构之后的器件的示例。在此示例中，将230nm厚的PMMA对齐层旋涂到硅晶片上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750μC/cm2的剂量下)写入沟道图案。首先使用DE400电子束蒸发系统沉积1nm厚的钇金属膜。在丙酮中于70℃下进行剥离。然后，钇膜在250℃的空气中被氧化。然后，将230nm厚的PMMA层旋涂到包覆有Y2O3的硅晶片上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750μC/cm2的剂量下)写入栅电极图案。栅电极图案在MIBK和IPA的1：3混合物中显影。接下来，在90℃下通过原子层沉积(Beneq)沉积8nm厚的HfO2，以形成栅极介电层。最后使用DE400电子束蒸发系统沉积了15纳米厚的钯膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。然后，用氮气干燥样品。这样，可以形成栅极接触。
在一些实施方式中，还形成连接到源极接触、漏极接触和栅极结构的接触垫。这些接触垫可以用于所构造的CNT FET的电测量。
在一示例中，首先将230nm厚的PMMA层旋涂到样品上。使用Raith Voyager系统(在9nA的电流和750μC/cm2的剂量下)暴露出接触垫图案。接触垫图案在MIBK和IPA的1：3混合物中显影，然后用氮气干燥。使用DE400电子束蒸发系统沉积5纳米厚的钛和70纳米厚的金的堆叠膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。然后，用氮气干燥样品。
在一些实施方式中，在形成栅极结构之后，可以从基底的表面去除固定结构。
在一些实施方式中，单个CNT具有一个源极接触、一个漏极接触和一个栅极结构以形成单沟道CNT FET。在图13(a)和图13(b)中示出了单沟道CNT FET的示例，其中图13(a)是单沟道CNT FET的侧视图，图13(b)是单沟道CNT FET的俯视图。
在一些实施方式中，具有共同源极接触、共同漏极接触和共同栅极结构中的两个、三个、四个或更多个CNT可以用于形成多沟道CNT FET。在图14(a)和图14(b)中示出了多沟道CNT FET的示例，其中图14(a)是多沟道CNT FET的侧视图，图14(b)是多沟道CNT FET的俯视图。
在室温下，在与Keithley 4200 SCS半导体器件分析仪连接的探针台中，对使用上述工艺形成的CNT FET样品进行了某些电测量。图15(a)和图15(b)分别示出了单沟道CNTFET和多沟道CNT FET的Ids-Vgs曲线和gm-Vgs曲线。如图15(a)所示，在亚阈值摆幅的热电子极限(即60mV/dec)下，单沟道CNT FET(沟道长度为200nm)表现出10μA/CNT的导通电流(-0.5V的Vds)。如图15(b)所示，在-0.5V的Vds下，多沟道CNT FET(沟道长度为200nm，CNT间间距为24nm)表现出-0.26V的Vth、106的Ion/Ioff、154μA/μm的导通电流密度(在-1.5V的Vgs下)和100mV/dec的亚阈值摆幅。gm和Gon值分别为0.37mS/μm和0.31mS/μm。
实施例
本实施例是可以使用根据本申请的实施方式的方法构造高性能晶体管的实施例。
在规划中的高性能节能场效应晶体管(FET)(参考文献1、参考文献2)中，通常需要均匀间隔的小间距(单个FET中两个相邻沟道之间的间隔)半导体沟道。较小的沟道间距会带来更高的集成密度和导通状态性能，但存在在低维半导体(例如，碳纳米管(CNT))中增强的破坏性短程屏蔽和静电相互作用的风险(参考文献3)；而均匀排列的对齐方式则将影响导通状态/关断状态之间切换的沟道混乱降至最低(参考文献4)。因此，尽管高密度的CNT薄膜表现出与硅FET相当的导通状态性能(参考文献5、参考文献6)，但是由于阵列中的混乱现象，观察到了降低的栅极调制和增加的亚阈值摆幅(参考文献3、参考文献5)。
DNA等生物分子(参考文献7、参考文献8)可用于将CNT组织成规定的阵列(参考文献9-参考文献11)。基于纳米管电子器件的空间受限集成(SHINE)，生物制造进一步缩小了均匀间隔的沟道间距，使其超出了光刻的可行性(参考文献12)。但是，没有一个生物模板化的CNT FET(参考文献12至参考文献14)表现出与光刻(参考文献15)或薄膜方法(参考文献3、参考文献5、参考文献6、参考文献16至参考文献18)构造出的CNT FET相当的性能。同时，在生物模板材料的表面布置期间，宽的取向分布(参考文献19)阻止了其大规模排列。
在这里，我们表明，纳米级生物分子组装体的小区域可以集成到固态高性能电子器件的大阵列中。我们使用通过SHINE组装的平行半导体CNT阵列作为模型系统(参考文献12)。在FET沟道界面处，我们观察到高浓度DNA/金属离子引起的导通状态性能降低。使用固定后清洗方法，我们消除了污染，而不会降低CNT的对齐。基于均匀的CNT间间距和干净的沟道界面，我们构建了固态多沟道PMOS(p沟道金属氧化物半导体)CNT FET，其同时具有高导通状态性能和快速的开/关切换性能。使用光刻限定的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)腔体在空间上限定CNT修饰的DNA模板的位置，我们展示了在0.35cm2面积的基底上按规定的几何形状对齐的阵列。在生物电子界面上构建高性能超大规模器件可以实现后硅时代的各种应用，例如具有纳米到厘米阵列可扩展性的多路复用生物分子传感器(参考文献20)和3DFET。
我们使用基于DNA的SHINE(参考文献12)组装了以DNA模板的CNT阵列。我们应用了固定后清洗方法(图16A)以去除DNA模板。从表面沉积的DNA模板的CNT阵列开始，DNA模板的CNT阵列的两端首先通过沉积的金属条固定在硅晶片上(图16A中的第一步)。通过依序用水和低浓度H2O2清洗，轻轻去除DNA模板和DNA螺旋内的高浓度金属盐(1至2M)(图16A和图22中的第二步)。在清洗期间，CNT间间距和组装的CNT的对齐质量没有降低(图16B、图20和图21)。
为了探索单链DNA(ssDNA)在沟道界面的影响，我们首先将源电极和漏电极制造在清洗后的CNT阵列上(图16C，左)。接下来，将ssDNA专门引入预定的沟道区域中(图16C中的第一步，沟道长度为200nm)。最后，依序制造HfO2的栅极介质和Pd的栅电极(图16C中的第二步骤和第三步骤和图23)。
在我们构建的19个FET中，有63％(19个中的12个)显示出典型的栅极调制(Ion/Ioff超过103，图24)。其他7个器件的Ion/Ioff<5，这是由在阵列中内金属CNT的存在引起的。在-0.5V的源漏偏置(Vds)下，一种典型的多沟道含DNA的CNT FET(图16D)显示出在-2V附近的阈值电压(Vth)，在-3V的栅源偏置(Vgs)时导通电流密度为50μA/μm(相对于CNT间间距归一化)，亚阈值摆幅为146mV每十倍程(mV/decade)，峰值跨导(gm)为23μS/μm，且导通状态电导(Gon)为0.10mS/μm。所有12个可操作的FET的统计数据均显示出-2±0.10V的Vth分布，4-50μA/μm的导通电流密度和164±44mV每十倍程的亚阈值摆幅(图24A)。在重复测量期间，传输性能稳定(图24C)。
我们将上述含DNA的FET在真空下于400℃退火30分钟，以热分解ssDNA(参考文献22)，然后重新表征传输性能。与未退火的样品相比，热退火(图16D、图23和图31)稍微偏移了平均Vth(约0.35V，退火后的Vth为-1.65±0.17V)，并且平均亚阈值摆幅增加了约70mV每十倍程(退火后的亚阈值摆幅为230±112mV每十倍程)。退火后，包括gm和Gon在内的其他导通状态性能以及FET形态基本不变。
为了从生物模板构建高性能CNT FET，我们将复合栅极介体(Y2O3和HfO2)沉积到清洗后的沟道区域中，而不是引入ssDNA(图17，A和B，图14和图26)。在所有已构造的FET中，有54％(11个中的6个)示出了栅极调制(图27)。11个FET中的其它5个在沟道内包含至少一个金属CNT(图30)。使用相同的制造工艺，我们还构建了另外9个可操作的单沟道无DNA CNTFET，用于比较传输性能(图13)。在亚阈值摆幅的热电子极限(即，60mV每十倍程，图17C和图25)下，具有最高导通状态性能的单沟道CNT FET(沟道长度～200nm)表现出的导通电流为10μA/CNT(Vds为-0.5V)。
在-0.5V的Vds处，具有最高导通状态性能(图17D和图28)的多沟道无DNA CNT FET(沟道长度～200nm，CNT间间距为24nm)表现出-0.26V的Vth，导通电流密度为154μA/μm(在-1.5V的Vgs时)，并且亚阈值摆幅为100mV每十倍程。gm和Gon值分别为0.37mS/μm和0.31mS/μm。gm-Vgs曲线中的噪声可能源自复合栅结构内的热噪声、混乱和散射。在Vds为-0.8V时，导通状态电流进一步增加至～250μA/μm，gm为0.45mS/μm，亚阈值摆幅为110mV每十倍程。
当沟道长度的尺度为100nm时，我们实现了300μA/μm的导通电流密度(在-0.5V的Vds和-1.5V的Vgs时)，以及亚阈值摆幅为160mV每十倍程(图29)。因此，Gon和gm值都提高到0.6mS/μm。无DNA的CNT FET表现出与对齐的化学气相沉积(CVD)生长的CNT阵列的薄膜FET(参考文献28、参考文献29)相当的Ids，即使CNT密度小60％(～40CNTs/μm相对于(参考文献28、参考文献29)中大于100CNTs/μm)。有效去除污染物(例如DNA和金属离子)以及更短的沟道长度有助于提高Ids。值得注意的是，先前的研究直接将CNT直接固定在源电极和漏电极上(参考文献13)，但是由于无法从电极接触区域完全去除污染物，因此导通状态性能(gm和Gon)降低了10倍。
在类似的沟道长度和Vds(即，-0.5V)下，我们使用CVD生长或聚合物包裹的CNT对常规薄膜FET的电流传输性能(即，gm和亚阈值摆幅)进行了基准测试(参考文献3、参考文献5、参考文献16至参考文献18、参考文献23至参考文献27)(图17E、图32和图33)。在相同的固态DNA模板FET中，可以同时实现高导通态性能(约0.37mS/μm的gm)和快速开/关切换(约100mV每十倍程的亚阈值摆幅)；而具有类似亚阈值摆幅(约100mV每十倍程)的薄膜CNT FET的gm减小了50％以上(图32)。
此外，将多沟道(平均值为103mV每十倍程)与单沟道CNT FET之间的亚阈值摆幅差(图25中的平均值为86mV/十倍程)减小为17mV每十倍程。理论模拟表明，在相同的栅构造下，CNT的直径不均匀(参考文献6)和对齐混乱(包括交叉的CNT)(参考文献5)会提高亚阈值摆幅(参考文献4)。我们在AFM图像(图19)和TEM图像(图18)中观察到了DNA包裹的CNT的宽直径分布。因此，上述较小的亚阈值摆幅差表明使用SHINE进行有效的栅极调制和均匀间隔的CNT对齐(参考文献12)，即在沟道区域内不存在交叉/分束的CNT。
所有可操作的多沟道无DNA FET的统计数据均显示-0.32±0.27V的Vth，25至154μA/μm的导通电流密度(在-0.5V的Vds和-1.5V的Vgs时)以及103±30mV每十倍程的亚阈值摆幅。在FET内不同数量的窄CNT(即，直径<1nm)导致导通电流密度的宽分布。由于Schottky势垒和带隙随着CNT直径的减小而增加，因此通常观察到的碳纳米管电导率要比直径大于1.4nm的碳纳米管电导率低(参考文献30、参考文献31)。
当比较含DNA的FET和不含DNA的FET之间的传输性能差异时(图31)，我们观察到Vth很大程度上的负移(-2V相对于-0.32V)，在正Vgs时较高的Ids(大多数为10到200nA/μm相对于0.1到10nA/μm)，和超过小一个数量级的gm(4至50μS/μm相对于70至370μS/μm)。因此，在多沟道FET内的高浓度ssDNA破坏了传输性能。由于存在不溶性退火产物，例如金属磷酸盐，热退火不能完全消除该影响(参考文献22)。
当将CNT修饰的DNA模板沉积在平坦的硅晶片上时，无限定的表面旋转会形成了DNA模板的随机取向。我们通过使用3D聚合物型腔体限定大面积布置期间的表面取向来解决此问题。我们首先以规定的CNT间间距为16nm(每个阵列2个CNT)组装了固定宽度的CNT阵列(图34)。接下来，在PMMA覆盖的硅基底上的典型500μm x 500μm的写入场中(在0.35cm2的基底上有20个以上的写入场)，我们制作了密集对齐的锯齿状护墙状PMMA腔体(腔体密度约为2×107腔体/cm2)。沿z方向的最小设计宽度和最大设计宽度分别为180nm和250nm。
在DNA沉积和PMMA剥离后(图8(B))，>85％的初始腔体(计数到约600个腔体)被DNA模板占据(图8(B)，图25)。基于每次扫描电子显微镜(SEM)的计数，对600个腔体位置内的所有剩余DNA模板进行计数，所测得的角度分布(定义为DNA模板的纵向轴线与基底的x方向之间的差)在±1°内为56％，在±7°内为90％(图8(B))。该值包括来自以下因素的可改善的影响：PMMA腔体位置的制造缺陷、DNA布置期间的变化以及来自PMMA剥离的任何干扰。值得注意的是，与以前大规模布置DNA模板材料相比，角度分布仍得到了改善(参考文献19)。因为CNT嵌入在DNA沟槽内，并被DNA螺旋屏蔽了SEM检测器，所以CNT在SEM下不可见。
DNA模板的长度和PMMA腔体的长宽比都会影响角度分布。与较短的DNA模板(长度<500nm)的角度分布(图8(B)中为1°±11°)相比，较长的DNA模板(长度>1μm)的角度分布较窄(图8(B)中为0°±3.4°)。另外，具有高长宽比(即，图8(B)中的10)的PMMA腔体比具有低长宽比(即，图36中的1)的PMMA腔体具有更好的取向可控性。因此，更长的DNA模板以及更高的PMMA腔体长宽比，对为了进一步改善角度分布是有益的。因为PMMA腔体比DNA模板宽，所以我们在几个PMMA腔体内观察到多达3个DNA模板，以及DNA模板沿x和z方向的偏移。值得注意的是，即使对于饱和的DNA溶液，DNA模板也不能完全覆盖PMMA腔体。
具有与DNA结构相同的形状和尺寸的二维亲水性表面图案可以引导沉积的DNA结构的取向(参考文献32)。然而，很难设计出适应于具有可变长度的DNA模板的图案。反之，有效的空间限制主要取决于DNA模板的长度和PMMA腔体的长宽比，并且适用于不规则模板长度。因此，各向异性的生物模板化的CNT阵列可以沿着腔体的纵向方向排列(图37)。
将CNT间间距缩小到10nm以下，对进一步提高导通状态性能可能是有益的。但是，在2nm的CNT间间距下，增强的静电相互作用可能会影响开/关切换。因此，需要验证CNT间间距与CNT FET的性能指标之间的相关性。与通过常规光刻技术进行的大面积制造以及块共聚物的定向组装相结合，生物分子组装可以为大面积的可编程电子器件提供高分辨率范例。复合电子生物器件还可以集成电刺激和生物输入/输出，从而产生超大规模传感器或生物致动器。
实施例的材料和实验方法
1.原子力显微镜(AFM)
将所制备7uL的CNT修饰的DNA模板溶液沉积在尺寸为1cm2的硅片上，然后在50％、95％和99.5％的乙醇中逐步清洗。通过敲击模式将样品成像在多模式SPM(Vecco)上。
2.扫描电子显微镜(SEM)
将所制备7uL的CNT修饰的DNA模板溶液沉积在尺寸为1cm2的硅片上，然后在50％、95％和99.5％的乙醇中逐步清洗。将干燥的硅芯片在HITACHI S-4800系统上成像，该系统在5kV的高真空下运行。
3.透射电子显微镜(TEM)
将所制备0.6uL(未经纯化)的CNT修饰的DNA模板稀释到5uL水中，并吸附在辉光放电的碳覆盖的TEM网格上4分钟。然后擦去残留的溶液，然后使用6uL 2％甲酸铀酰水溶液进行阴性染色(7秒)，并快速清洗。使用在120kV下运行的JEOL2100进行成像。
4.厘米级取向布置
首先，用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)抗蚀剂(Allresist AR-P 672.045)旋涂尺寸为0.35cm2的硅基底，并使用电子束光刻(Raith Voyager，在0.9nA电流下的暴露剂量为325uC/cm2)将其图形化。图形化的PMMA层在甲基异丁基酮(MIBK)和异丙醇(IPA)的1：3混合物中显影，然后用IPA清洗并用氮气干燥。将CNT修饰的DNA模板溶液浸渍在光刻限定的图案上。然后，将硅衬底在密封腔室中保持2小时。在此过程中，DNA模板扩散到PMMA腔体中。然后，干燥硅基底，然后进行PMMA剥离，仅将排列的DNA模板留在平坦的硅基底上。最后，我们用SEM对样品成像。
5.去除DNA模板
我们应用以下过程在保持CNT对齐的同时去除组装的DNA模板：(1)利用电子束光刻在硅晶片上制造对准标记；(2)将CNT修饰的DNA模板沉积在硅晶片上，然后用低倍率SEM记录位置；(3)制作金属条，将组装好的CNT阵列固定在硅晶片上；(4)通过连续地用水和H2O2清洗去除DNA模板。我们使用了来自NIST的按长度分类的CNT(半导体纯度>95％)，长度范围为300-1000nm。
对准标记：
将230nm厚的PMMA层旋涂到硅晶片上(顶部有300nm厚的SiO2)，并使用RaithVoyager系统(在9nA的电流和780uC/cm2的剂量下)写入精细对准标记图案。对准标记图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的。使用DE400电子束蒸发系统沉积堆叠的钛/金膜(5纳米厚的钛和45纳米厚的金)。室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。用氮气干燥样品。
CNT沉积和记录：
将9uL的组装的CNT修饰的DNA模板的溶液浸渍在氧等离子体清洁的标记硅晶片上，然后在室温下培养1小时。之后，将剩余的溶液用氮气吹走。依序用75％、95％和99％的乙醇清洗硅晶片，然后空气干燥。然后，在SEM下以低倍率(在1kV下操作)对硅晶片成像。相对于对准标记，记录了CNT修饰的DNA模板的位置。
CNT固定和DNA去除：
将230nm厚的PMMA层旋涂到CNT沉积的硅晶片上。使用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750uC/cm2的剂量下)写入金属条图案。金属条图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的。使用DE400电子束蒸发系统沉积5纳米厚的钛和60纳米厚的金的堆叠膜。室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。用氮气干燥样品。然后，通过依序用水和H2O2(5％)清洗进行DNA去除。
6.FET构造
对于FET构造，我们使用电子束光刻技术将源极/漏极/栅电极制造到组装的CNT阵列上并构造电接触垫。
源电极/漏电极：
将230nm厚的PMMA层旋涂到清洁的CNT阵列上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750uC/cm2的剂量下)写入源电极和漏电极图案。源电极和漏电极图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的。使用DE400电子束蒸发系统沉积0.5纳米厚的钛、30纳米厚的钯和40纳米厚的金的堆叠膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。用氮气干燥样品。
栅电极：
接下来，将230nm厚的PMMA层旋涂到硅晶圆上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750uC/cm2的剂量下)写入沟道图案。首先使用DE400电子束蒸发系统沉积1纳米厚的钇金属膜。于70℃在丙酮中进行剥离。然后，钇膜在250℃的空气中被氧化。
然后，将230nm厚的PMMA层旋涂到覆盖有Y2O3的硅晶片上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750uC/cm2的剂量下)写入栅电极图案。栅电极图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的。接下来，在90℃下通过原子层沉积(Beneq)沉积8纳米厚的HfO2。最后，使用DE400电子束蒸发系统沉积了15纳米厚的钯膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。用氮气干燥样品。
接触垫：
为了制造连接到电极的较大电接触垫，首先将230nm厚的PMMA层旋涂到样品上。使用Raith Voyager系统(在9nA的电流和750uC/cm2的剂量下)暴露出接触垫图案。接触垫图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的，然后用氮气干燥。使用DE400电子束蒸发系统沉积5纳米厚的钛和70纳米厚的金的堆叠膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。然后，用氮气干燥样品。
CNT FET的电测量：
于室温下，在连接到Keithley 4200 SCS半导体器件分析仪的探针台中，对所构造的CNT FET进行电测量。
7.在沟道界面引入ssDNA
在制造源电极/漏电极之后，我们应用以下过程在沟道界面处引入ssDNA，并相应地构建栅极介质：(1)将230nm厚的PMMA层旋涂到晶片上，然后用Raith Voyager系统(在400pA的电流和750uC/cm2的剂量下)写入栅电极图案。栅电极图案是在MIBK和IPA的1：3混合物中显影的；(2)将10uL的L1溶液(1uM)浸渍在固定的CNT阵列上，并于室温下培养1.5小时；(3)将剩余的溶液用氮气吹走，然后依序用75％、95％和99％的乙醇清洗；(4)在90℃下，通过原子层沉积(Savannah)在显影的图案内生长了9nm厚的HfO2介质。使用DE400电子束蒸发系统沉积15纳米厚的钯膜。于室温下在丙酮中未经超声进行剥离，然后用乙醇清洗。用氮气干燥样品。
之后，使用上面“FET构造”部分中的相同方法执行接触垫和电测量。
实施例的FET性能的进一步优化
为了进一步提高FET性能，有必要在降低亚阈值摆幅的同时增加导通状态电导。
为了提高导通状态电导，以前的报道中提出了几种策略。例如，当施加高达6V的栅极过驱动(Vgs-Vth)时，据报道导通电流密度约为0.5mA/um(在100nm Lch时)(参考文献5)。但是，在超大规模技术节点上，电源电压(Vdd)通常低于1V，这限制了Vgs的可用电压范围。同时，将CNT密度提高到500CNT/um，并将沟道长度的缩小为10nm，也可以提供0.8mA/um的导通电流密度(在3V左右的栅极过驱动时)(参考文献6)。但是，由于在高CNT密度下具有较强的CNT间屏蔽作用，因此高CNT密度在提高每个CNT的电导率方面也带来了挑战。结果，在相同的沟道长度下，每个CNT的导通状态电导降低到小于2uA/CNT，约为单沟道CNT FET的10％(参考文献33)。此外，由于破坏性的交叉CNT和在高CNT密度下的直径分布，会产生大约500mV每十倍程的亚阈值摆幅。使用3D DNA纳米沟槽，可以最大程度地减少交叉CNT的形成。因此，通过探索CNT间间距与导通状态电导之间的相关性，优化的CNT间间距可以在更高的CNT密度和更低的CNT间相互作用之间平衡竞争需求。连同短沟道设计，将最大化多沟道CNTFET的导通状态电导。
国际半导体技术路线图(参考文献1)建议将亚阈值摆幅减小至60-80mV每十倍程。值得注意的是，减小亚阈值摆幅不会降低导通状态电导。在由薄膜CNT阵列构成的CNT FET中，已经报道了60mV每十倍程的亚阈值摆幅(参考文献34)。然而，导通电流密度仅为100nA/um，无法满足高性能电子器件的要求。根据我们的展示，多沟道CNT FET的亚阈值摆幅略高于单沟道CNT FET的亚阈值摆幅。由于不存在交叉的CNT，因此直径分布的差值很小(17mV每十倍程)。因此，当具有均匀直径的CNT可用时，3D DNA纳米沟槽原则上可以构建亚阈值摆幅与单沟道CNT FET相同的多沟道CNT FET。将亚阈值摆幅进一步减小到热电子极限(60mV每十倍程)或甚至更低取决于栅极效率。例如，使用石墨烯接触设计，单沟道CNT FET已被证明具有低于60mV每十倍程的亚阈值摆幅和8uA/CNT的导通状态电流(参考文献35)。与当前的金属接触相比，将石墨烯接触的设计集成到多沟道CNT FET内可以促进开/关切换。
更高的CNT纯度对于提高FET构建的成功率也是必需的。对于规划中的CNT FET架构，95％的半导体CNT纯度在六沟道CNT FET中产生73％的成功率，在十二沟道FET中产生54％的成功率。考虑到高性能微处理器包含多达10亿个FET，为确保所有FET正常工作，半导体CNT纯度必须高于99.99999998％。
为实施例制造具有设计器宽度和阵列间间距的CNT阵列
在数字电路中，在各个FET外部具有比半导体沟道间距更大的间距值是很常见的。例如，在硅电路中，三星的14nm技术节点具有49nm的均匀鳍间距(FET宽度小于250nm)；而相邻FET中两个最靠近的鳍之间的间距可能高达700nm，比鳍间距大13倍。在英特尔的22nm、14nm和10nm硅技术节点中也观察到了类似的间距差。两个最接近的FET之间的较大间距可以容纳互连金属线。更大的FET间间距根据不同的电路架构可调整地定制。
现有的薄膜方法采用组装后刻蚀方法来制备具有设计器宽度、阵列间间距和超过厘米级CNT计数的阵列。连续的CNT薄膜，首先覆盖基底的整个表面。然后，引入组装后刻蚀(通过氧等离子体)以将CNT从沟道区域中刻蚀掉(图37A)。因此，可以根据FET/电路布局制造定制阵列宽度和阵列间间距。重要的是，阵列间间距对于避免杂散的传导路径(参考文献37)和容纳金属接触是必需的。根据报道，在接触下方存在CNT会降低金属接触对基底表面的粘附力(参考文献6)。组装后刻蚀之后，将全表面覆盖的CNT薄膜刻蚀成几个单独的阵列，宽度大约在50nm至几百纳米之间，以适应FET布局。
相比之下，我们展示了一种实现说明书中设计器宽度、阵列间距和CNT计数的不同策略(图37B)。使用3D DNA纳米沟槽，可将CNT阵列与设计器的CNT间间距和CNT计数组装在固定宽度的3D DNA模板上。每个阵列的CNT计数可以通过不同的模板宽度进行编程。然后，将已组装的CNT阵列布置在预形成的PMMA腔体内，然后进行PMMA剥离和DNA去除。不进行后组装刻蚀，在厘米级取向布置后将展示了规定的阵列间间距。由于阵列间间距是通过PMMA腔体的光刻来限定的，因此原则上其可以进一步缩小200nm以下。因此，最大阵列密度约为105/cm，接近10纳米技术节点处的硅鳍(小于3*105/cm)。我们的方法的阵列宽度和阵列间间距也类似于组装后刻蚀方法制造的阵列宽度和阵列间间距。
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37.J.Zhang et al.,Robust digital VLSI using carbon nanotubes,IEEETransactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 31,453-471(2012).
需要说明的是，本申请的实施方式公开的方法和器件可以通过其他方式实现。前述器件和方法实施方式仅是说明性的。应当注意，在一些替代性实施方式中，方框中描述的步骤也可以以与附图描述不同的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本同时执行。有时，也可能以相反的顺序执行，具体取决于功能。
本申请已经参考附图描述了各种实施方式。然而，将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的较宽范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现附加的实施方式。

Claims (31)

1.一种用于在基底上形成纳米结构阵列的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供包括纳米结构模板的模板溶液；
通过使所述模板溶液与所述基底接触，将至少一个纳米结构模板沉积到所述基底上；以及
在所述基底上形成至少一个固定结构，所述至少一个固定结构与所述至少一个纳米结构模板的全部或部分相交，以将所述至少一个纳米结构模板的全部或部分固定在所述基底上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米结构模板包括一种或多种物质，所述一种或多种物质选自由以下各项组成的组：核酸模板、修饰的核酸模板、蛋白质模板、聚合物模板、碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的CNT、CNT薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线和氟化物纳米块。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米结构模板包括修饰的核酸纳米结构模板，每个修饰的核酸纳米结构模板用至少一个纳米部分进行修饰，并且提供包括所述纳米结构模板的所述模板溶液包括：
在所述模板溶液中形成核酸纳米结构模板，所述核酸纳米结构模板中的每个核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在所述至少一个腔体区域外部的非腔体区域；以及
将至少一个纳米部分与所述模板溶液混合，以将所述至少一个纳米部分组装到所述核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述核酸纳米结构模板包括脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构、核糖核酸(RNA)纳米结构、锁核酸(LNA)纳米结构或肽核酸(PNA)纳米结构。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米部分包括一种或多种物质，所述一种或多种物质选自由以下各项组成的组：碳纳米管(CNT)、聚合物包裹的CNT、CNT薄膜、半导体纳米颗粒、半导体纳米线、半导体纳米块、金属纳米颗粒、金属纳米线、金属纳米块、聚合纳米颗粒、聚合纳米线、聚合纳米块、陶瓷纳米颗粒、陶瓷纳米线、陶瓷纳米块、金属氧化物纳米颗粒、金属氧化物纳米线、金属氧化物纳米块、氟化物纳米颗粒、氟化物纳米线和氟化物纳米块。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述核酸纳米结构模板的所述腔体区域由第一类型核酸块形成，并且所述核酸纳米结构模板的所述非腔体区域由第二类型核酸块形成，所述第二类型核酸块在核酸序列上与所述第一类型核酸块不同。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述模板溶液中形成所述核酸纳米结构模板进一步包括：
在所述核酸纳米结构模板的所述至少一个腔体区域上形成第一类型核酸手柄；以及
其中将所述至少一个纳米部分组装到所述核酸纳米结构模板中的一个核酸纳米结构模板上进一步包括：
在所述至少一个纳米部分上形成第二类型核酸手柄；以及
通过所述第一类型核酸手柄和所述第二类型核酸手柄之间的相互作用，将所述至少一个纳米部分组装到所述核酸纳米结构模板的所述至少一个腔体区域上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一类型核酸手柄和所述第二类型核酸手柄为互补的单链核酸链。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述至少一个纳米结构模板沉积到所述基底上包括：
在所述基底上形成图形化的对齐层，其中所述图形化的对齐层包括多个腔体；
将包含所述纳米结构模板的所述模板溶液浸渍在所述图形化的对齐层上；以及
培养所述基底以将所述纳米结构模板扩散到所述腔体中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，培养所述基底包括：
在密封腔室中使所述基底脱水或蒸发预定的时间段。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括半导体、氧化物、氮化物、金属、聚合物或石墨烯。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在所述核酸纳米结构模板的非腔体区域刻蚀所述核酸纳米结构模板。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过与所述非腔体区域的核酸链互补的分割核酸链来刻蚀所述核酸纳米结构模板。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述核酸纳米结构模板的非腔体区域刻蚀所述核酸纳米结构模板包括：
将所述核酸纳米结构模板刻蚀至使其顶表面基本上平坦。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基底上形成所述至少一个固定结构之前，所述方法进一步包括：
在所述基底上形成中间层以促进所述固定结构与所述基底的粘附。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个固定结构的厚度大于10纳米。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个固定结构包括介电材料或金属材料。
18.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
去除所述至少一个核酸纳米结构模板的至少一部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个核酸纳米结构模板的被去除的部分在所述去除步骤之前未被所述至少一个固定结构覆盖。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述核酸纳米结构模板的所述至少一部分通过清洗工艺、热退火工艺或化学氧化工艺去除。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米结构模板包括第一部分和第二部分，所述第一部分用于形成电子器件，所述第二部分在材料上与所述第一部分不同，并且所述方法进一步包括：
去除所述纳米结构模板的所述第二部分的至少一部分。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
基于固定在所述基底上的所述至少一个纳米结构模板，形成场效应晶体管(FET)阵列、传感器阵列、存储单元阵列或量子器件阵列。
23.一种纳米结构阵列，其特征在于，所述纳米结构阵列包括在基底上的至少一个纳米结构，所述纳米结构阵列使用权利要求1至22中任一项所述的方法形成。
24.一种用于在基底上形成场效应晶体管(FET)阵列的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供包含核酸纳米结构模板的模板溶液，其中所述核酸纳米结构模板用至少一条纳米线修饰；
通过使所述模板溶液与所述基底接触，将至少一个核酸纳米结构模板沉积到所述基底上，所述至少一个核酸纳米结构模板用至少一条纳米线修饰；
在所述基底上形成至少一个固定结构，每个固定结构与所述至少一条纳米线的全部或部分相交，以将所述至少一条纳米线的全部或部分固定在所述基底上；
去除未被所述至少一个固定结构覆盖的所述至少一个核酸纳米结构模板的至少一部分；
在所述基底上沿着所述至少一条纳米线形成源极接触和漏极接触；以及
在所述源极接触和所述漏极接触之间并沿着所述至少一条纳米线形成栅极结构。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，提供包含所述核酸纳米结构模板的所述模板溶液包括：
在所述模板溶液中形成所述核酸纳米结构模板；
将至少一条纳米线与所述模板溶液混合以将所述至少一条纳米线组装到所述核酸纳米结构模板上。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述核酸纳米结构模板中的每个核酸纳米结构模板包括至少一个腔体区域和在所述至少一个腔体区域外部的非腔体区域，并且将所述至少一条纳米线组装到所述核酸纳米结构模板的至少一个腔体区域中。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在所述核酸纳米结构模板的非腔体区域将所述核酸纳米结构模板蚀刻至使其顶表面基本上平坦。
28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
从所述基底的表面去除所述至少一个固定结构。
29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述纳米线包括碳纳米管或半导体纳米线。
30.一种场效应晶体管(FET)器件，其特征在于，所述场效应晶体管器件使用权利要求24至29中任一项所述的方法形成。
31.一种场效应晶体管(FET)器件，其特征在于，所述场效应晶体管器件包括：
基底；
核酸模板诱导的自组装纳米线，所述核酸模板诱导的自组装纳米线在所述基底上形成；
至少一个固定结构，所述至少一个固定结构形成在所述基底上并且与所述纳米线相交；
源极接触和漏极接触，所述源极接触和所述漏极接触在所述基底上形成；以及
栅极结构，所述栅极结构在所述源极接触和所述漏极接触之间并且沿着所述纳米线形成。
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