CN115811887A - 碳纳米管复合结构 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管复合结构，其包括：至少一单根碳纳米管，每个单根碳纳米管包括至少一p型部分和至少一n型部分；以及至少一膜状结构，该至少一膜状结构覆盖所述至少一n型部分，所述膜状结构为二硫化钼膜或者二硫化钨膜。

Description

碳纳米管复合结构
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管复合结构。
背景技术
碳纳米管具有优异的机械和化学性质，并且具有长达1微米的长度以及从几纳米到几十纳米的直径。碳纳米管具有优异的导电性，可以应用于各种电子器件中，比如电场反射器件、光通信领域中的光开关、生物器件等。
制造碳纳米管的方法包括电弧放电、脉冲激光汽化、化学气相沉等。为了将碳纳米管用于比如互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的半导体器件中，需要p型以及n型MOS晶体管。因此，需要对碳纳米管进行空穴掺杂(p型掺杂)或者电子掺杂(n掺杂)。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管同时含有p型和n型。
一种碳纳米管复合结构，其包括：至少一单根碳纳米管，每个单根碳纳米管包括至少一p型部分和至少一n型部分；以及至少一膜状结构，该至少一膜状结构覆盖所述至少一n型部分，所述膜状结构为二硫化钼膜或者二硫化钨膜。
与现有技术相比，本发明采用二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管的一部分，可以使得这部分由p型转变为n型，从而使所述单根碳纳米管同时含有p型和n型，并且所述单根碳纳米管可以为n-p-n型、p-n-p型、n-p-n-p型、p-n-p-n型等多种类型。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的碳纳米管n型掺杂的方法的工艺流程图。
图2为本发明第一实施例提供的MoS2膜或者WS2膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管的一部分的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的MoS2膜或者WS2膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管全部的上表面的结构示意图。
图4为本发明第二实施例提供的另一种碳纳米管n型掺杂的方法的工艺流程图。
图5为本发明第三实施例提供的第一碳纳米管复合结构的剖面结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的第二碳纳米管复合结构的剖面结构示意图。
图7为本发明第三实施例提供的第三碳纳米管复合结构的剖面结构示意图。
图8为本发明第三实施例提供的第四碳纳米管复合结构的俯视结构示意图。
图9为本发明第三实施例提供的第五碳纳米管复合结构的俯视结构示意图。
图10为本发明第三实施例提供的第六碳纳米管复合结构的俯视结构示意图。
图11为本发明第四实施例提供的背栅型隧穿晶体管的结构示意图。
图12为本发明第四实施例提供的背栅型隧穿晶体管的立体结构示意图。
图13为本发明第四实施例提供的以对数形式表示的所述背栅型隧穿晶体管的电流扫描图。
图14为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管的转移特性曲线。
图15为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管在BTBT工作模式下的典型输出特性曲线。
图16为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管在pn结工作模式下的典型输出特性曲线。
图17为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管在nn结工作模式下的典型输出特性曲线。
图18为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管和单独碳纳米管晶体管的转移特性曲线。
图19为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管的光电流图。
图20为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管中半导体性碳纳米管和MoS2膜接触前的能带图。
图21为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管的半导体性碳纳米管和MoS2膜接触后的能带图。
图22为本发明第四实施例提供的所述背栅型隧穿晶体管的在不同温度下的转移特性曲线。
图23为从图22中提取出的在扩散区域和BTBT区域的亚阈值摆幅。
图24为本发明第四实施例提供的以半对数标度绘制的所述背栅型隧穿晶体管中CNT-MoS2异质结构在BTBT工作模式时不同栅极电压下的典型输出曲线。
图25为反向偏置时反向整流二极管的能带图。
图26为反向偏压下齐纳二极管的能带图。
图27为Vg＝20V时BTBT状态下的温度相关输出曲线。
图28为Vg＝20V时带间隧穿电流(BTBT电流)和正向偏置电流与温度的反斜率。
图29为温度为130K的源极漏极电流Ids映像图。
图30为单纯的金属性碳纳米管场效应晶体管和覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管的转移特性曲线。
图31为本发明第五实施例提供的顶栅型隧穿晶体管的结构示意图。
图32为本发明第六实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法的工艺流程图。
图33为本发明第六实施例提供的二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管的一部分的结构示意图。
图34为本发明第六实施例提供的二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管全部的上表面的结构示意图。
图35为覆盖有WSe2膜的碳纳米管场效应晶体管和单纯的碳纳米管场效应晶体管的转移特性曲线。
图36为本发明第七实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法的工艺流程图。
主要元件符号说明
单根碳纳米管 12
膜状结构 14
第一碳纳米管复合结构 10
第二碳纳米管复合结构 20
第三碳纳米管复合结构 30
第四碳纳米管复合结构 40
第五碳纳米管复合结构 50
第六碳纳米管复合结构 60
背栅型隧穿晶体管 100
绝缘基底 102
栅极 104
绝缘层 106
源极 108
漏极 109
顶栅型隧穿晶体管 200
层状结构 16
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的碳纳米管复合结构作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种碳纳米管n型掺杂的方法，其包括以下步骤：
S11，提供一个单根碳纳米管12；
S12，提供一个膜状结构14，该膜状结构14为二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜；以及
S13，将所述膜状结构14至少直接接触所述单根碳纳米管12的一部分。
步骤S11中，所述单根碳纳米管12是一维管状结构。所述碳纳米管可以为金属性碳纳米管，也可以为半导体性碳纳米管。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述碳纳米管的直径和长度不限，只要碳纳米管可以部分被MoS2膜覆盖，而其余部分不被MoS2膜覆盖即可。所述碳纳米管的长度可以大于50微米。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。本实施例中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。
步骤S12中，所述二硫化钼(MoS2)膜、所述二硫化钨(WS2)膜均为二维膜状结构14。所述MoS2膜的材料是MoS2，所述WS2膜的材料是WS2。所述二硫化钼(MoS2)膜、所述二硫化钨(WS2)膜的厚度不限。本实施例中，所述膜状结构14采用二硫化钼(MoS2)膜，该MoS2膜的厚度为4.2nm(纳米)。
步骤S13中，所述单根碳纳米管12可以被所述MoS2膜或者所述WS2膜完全覆盖，也可以被所述MoS2膜或者所述WS2膜部分覆盖。也即，所述MoS2膜或者所述WS2膜可以覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的一部分，而单根碳纳米管12的另一部分暴露。所述MoS2膜或者所述WS2膜也可以覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的全部。凡是被所述MoS2膜或者所述WS2膜覆盖的碳纳米管部分均与所述MoS2膜或者所述WS2膜直接接触。也即，所述MoS2膜或者所述WS2膜可以直接接触单根碳纳米管12的一部分，也可以直接接触单根碳纳米管12的全部。如图2所示，所述MoS2膜或者所述WS2膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的一部分。如图3所示，所述MoS2膜或者所述WS2膜覆盖并且直接接触单根碳纳米管12全部的上表面。
定义所述单根碳纳米管12中与所述MoS2膜或者所述WS2膜直接接触的部分为接触部分，定义所述单根碳纳米管12中没有与所述MoS2膜或者所述WS2膜直接接触的部分为暴露部分。也即，所述单根碳纳米管12由接触部分和暴露部分组成。
碳纳米管本身为p型，所述单根碳纳米管12的接触部分由p型转变为n型，其原因是：所述MoS2膜或者所述WS2膜直接接触所述接触部分，MoS2或者WS2向所述接触部分贡献电子，也即电子从MoS2或者WS2进入所述接触部分。所述单根碳纳米管12的暴露部分依然为p型，因为所述MoS2膜或者所述WS2膜没有直接接触所述暴露部分，MoS2或者WS2没有向所述暴露部分贡献电子。
请参见图4，本发明第二实施例提供一种碳纳米管n型掺杂的方法，其包括以下步骤：
S21，提供多个间隔设置的单根碳纳米管12；
S22，提供一个膜状结构14，该膜状结构14为二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜；以及
S23，将所述MoS2膜或者所述WS2膜同时覆盖所述多个单根碳纳米管12，每个单根碳纳米管12的至少一部分直接接触所述MoS2膜或者所述WS2膜。
第二实施例提供的碳纳米管n型掺杂的方法与第一实施例提供的碳纳米管n型掺杂的方法相似，不同之处在于：第一实施例中，二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜覆盖一个单根碳纳米管12的至少一部分；第二实施例中，二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜同时覆盖多个间隔设置的单根碳纳米管12的至少一部分。
步骤S21中，多个间隔设置的单根碳纳米管12的延伸方向相互平行。
步骤S23中，所述MoS2膜或者所述WS2膜可以同时覆盖多个单根碳纳米管12的一部分，从而使得每个单根碳纳米管12的一部分转变为n型。所述MoS2膜或者所述WS2膜可以同时覆盖多个单根碳纳米管12的全部，从而使得每个单根碳纳米管12全部转变为n型。
第一实施例和第二实施例提供的碳纳米管n型掺杂的方法具有以下优点：第一、所述MoS2膜或者所述WS2膜直接接触单根碳纳米管12的一部分，可以使得这部分由p型转变为n型，也即对所述单根碳纳米管12实现n型掺杂；第二、可以使所述单根碳纳米管12的一部分为p型，另一部分为n型，也即所述单根碳纳米管12同时含有p型和n型；第三、可以同时使多个单根碳纳米管12进行n掺杂；第四、方法简单，n型掺杂效果好。
本发明第三实施例提供一种碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构由所述第一实施例和所述第二实施例提供的方法所制备。
请参见图5至图10，所述碳纳米管复合结构包括至少一个所述单根碳纳米管12和至少一个所述膜状结构14，该膜状结构14为所述MoS2膜或者所述WS2膜。
当所述单根碳纳米管12为一个时，一个膜状结构14设置在该单根碳纳米管12的外表面，并且与该单根碳纳米管12的一部分直接接触。也即，该单根碳纳米管12的一部分与所述膜状结构14直接接触，并非该单根碳纳米管12的全部外表面与所述膜状结构14直接接触。
当所述单根碳纳米管12为多个时，该多个单根碳纳米管12间隔设置，并且所述至少一个膜状结构14设置在所述至少一个单根碳纳米管12的外表面，并且与每一个单根碳纳米管12的一部分直接接触。优选的，所述多个单根碳纳米管12的延伸方向相互平行。也即，每个单根碳纳米管12的一部分与所述膜状结构14直接接触，并非每个单根碳纳米管12的全部外表面与所述膜状结构14直接接触。
所述单根碳纳米管12包括至少一p型部分和至少一n型部分，并且所述p型部分和所述n型部分交替设置。所述p型部分就是所述暴露部分，所述n型部分就是所述接触部分。也即所述单根碳纳米管12同时含有p型和n型。所述膜状结构14设置在所述单根碳纳米管12上，并且所述膜状结构14与所述n型部分直接接触。进一步，所有的n型部分的外表面均与一膜状结构14直接接触。本实施中，所述膜状结构14仅设置在所述单根碳纳米管12的n型部分上，且与n型部分直接接触。以下以第一碳纳米管复合结构10至第六碳纳米管复合结构60为例，具体说明所述碳纳米管复合结构。
如图5所示，第一碳纳米管复合结构10由一个单根碳纳米管12和一个膜状结构14组成，所述单根碳纳米管12由一个p型部分和一个n型部分组成，所述膜状结构14覆盖所述n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
如图6所示，第二碳纳米管复合结构20由一个单根碳纳米管12和一个膜状结构14组成，所述单根碳纳米管12由一个第一p型部分、一个第二p型部分和一个n型部分组成，该n型部分位于所述第一p型部分和所述第二p型部分之间，也即所述单根碳纳米管12为p-n-p型。一个膜状结构14覆盖所述n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
如图7所示，第三碳纳米管复合结构30由一个单根碳纳米管12和两个膜状结构14组成，所述单根碳纳米管12由一个第一n型部分、一个第二n型部分和一个p型部分组成，该p型部分位于所述第一n型部分和所述第二n型部分之间，也即所述单根碳纳米管12为n-p-n型。一个膜状结构14覆盖所述第一n型部分并且与该第一n型部分的外表面直接接触，另一个膜状结构14覆盖所述第二n型部分并且与该第二n型部分的外表面直接接触。
如图8所示，第四碳纳米管复合结构40由多个相互平行且间隔设置的单根碳纳米管12和一个膜状结构14组成，每个单根碳纳米管12包括一个p型部分和一个n型部分，所述膜状结构14同时覆盖多个单根碳纳米管12的n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
如图9所示，第五碳纳米管复合结构50由多个相互平行且间隔设置的单根碳纳米管12和一个膜状结构14组成，每个单根碳纳米管12包括一个第一p型部分、一个第二p型部分和一个n型部分，该n型部分位于所述第一p型部分和所述第二p型部分之间，也即每个单根碳纳米管12为p-n-p型。所述膜状结构14同时覆盖多个单根碳纳米管12的n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
如图10所示，第六碳纳米管复合结构60由多个相互平行且间隔设置的单根碳纳米管12和两个膜状结构14组成，每个单根碳纳米管12包括一个第一n型部分、一个第二n型部分和一个p型部分，该p型部分位于所述第一n型部分和所述第二n型部分之间，也即每个单根碳纳米管12为n-p-n型。一个膜状结构14同时覆盖多个单根碳纳米管12的第一n型部分并且与该第一n型部分的外表面直接接触，另一个膜状结构14同时覆盖多个单根碳纳米管12的第二n型部分并且与该第二n型部分的外表面直接接触。
进一步，所述碳纳米管复合结构中的单根碳纳米管12也可以为n-p-n-p型、p-n-p-n型等多种类型。无论该单根碳纳米管12中有多少个n型部分，所有的n型部分的外表面均与所述膜状结构14直接接触。
可以理解，第一碳纳米管复合结构10、第二碳纳米管复合结构20和第三碳纳米管复合结构30由所述第一实施例提供的方法所制备，第四碳纳米管复合结构40、第五碳纳米管复合结构50和第六碳纳米管复合结构60由所述第二实施例提供的方法所制备。
第三实施例提供的碳纳米管复合结构具有以下优点：第一、所述单根碳纳米管12的一部分为p型，另一部分为n型，也即所述单根碳纳米管12同时含有p型和n型；第二、所述单根碳纳米管12可以为n-p-n型、p-n-p型、n-p-n-p型、p-n-p-n型等多种类型；第三、由于所述单根碳纳米管12同时含有p型和n型，当该单根碳纳米管12为半导体性碳纳米管时，电子可以从p型的价带隧穿到n型的导带，即实现带间隧穿(band to band tunneling,BTBT)。
请参见图11，本发明第四实施例提供一种背栅型隧穿晶体管100，其包括一所述单根碳纳米管12、一所述膜状结构14、一源极108、一漏极109、一绝缘层106及一栅极104。所述背栅型隧穿晶体管100可以形成在一绝缘基底102表面。所述单根碳纳米管12为半导体性碳纳米管。所述膜状结构14为二硫化钼(MoS2)膜或者二硫化钨(WS2)膜，所述MoS2膜的材料是MoS2，所述WS2膜的材料是WS2。
所述栅极104设置于所述绝缘基底102表面，所述绝缘层106设置于所述栅极104远离绝缘基底102的表面，所述单根碳纳米管12设置于所述绝缘层106远离栅极104的表面，所述膜状结构14覆盖并直接接触所述单根碳纳米管12的一部分，并且所述单根碳纳米管12位于所述绝缘层106与所述膜状结构14之间。所述源极108与所述膜状结构14电连接，所述漏极109与所述单根碳纳米管12电连接。所述绝缘层106位于所述源极108和栅极104之间，所述绝缘层106位于所述漏极109和栅极104之间。本实施例中，所述源极108与所述膜状结构14直接接触，所述漏极109与所述单根碳纳米管12直接接触。由于所述单根碳纳米管12是一维，所述膜状结构14是二维，因此该膜状结构14的一部分与所述单根碳纳米管12直接接触，一部分与所述绝缘层106直接接触。所述单根碳纳米管12的一部分位于所述膜状结构14与所述绝缘层106之间，并且与所述膜状结构14、所述绝缘层106均直接接触。
所述绝缘基底102起支撑作用，其材料可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石、硅片等硬性材料或塑料、树脂等柔性材料。本实施例中，所述绝缘基底102的材料为玻璃。所述绝缘基底102也可选用大规模集成电路中的基板，且多个背栅型隧穿晶体管100可按照预定规律或图形集成于同一绝缘基底102上。
所述绝缘层106具有原子级平整的表面，所述绝缘层106的材料为氮化硼等。该绝缘层106的厚度为5纳米～100微米。本实施例中，所述绝缘层106的材料为六方氮化硼，该六方氮化硼形成的绝缘层106具有原子级平整的表面。
所述源极108及漏极109的材料应具有较好的导电性。具体地，该源极108及漏极109的材料可以为金属、合金、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、导电银胶、导电聚合物以及金属性碳纳米管膜等导电材料。所述源极108及漏极109的厚度为0.5纳米～100微米。本实施例中，所述源极108为Au/Ti(金/钛，厚度50nm/5nm)电极，该Au/Ti电极是由一5nm厚的金层和一5nm厚的钛层层叠设置而成，与所述膜状结构14直接接触的是5nm厚的Ti层，50nm厚的Au层设置在Ti层远离所述膜状结构14的表面，所述漏极109的材料为钯(Pd)，厚度为50nm。
所述栅极104的材料具有较好的导电性。具体地，该栅极104的材料可以为金属、合金、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及碳纳米管膜等导电材料。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金或它们的合金。具体地，所述栅极104的厚度为0.5纳米～100微米。本实施例中，所述栅极104为高掺杂的硅。
以下以一具体的实施例来进一步说明本发明，但不能成为对本发明的限制。
一高掺杂的硅片(硅被高掺杂，导电，作为栅极104)表面具有300nm(纳米)厚的氧化层(该氧化层的材料为SiO2)，使用透明胶带法将六方氮化硼(hBN)薄片(作为绝缘层106)转移到所述氧化层上，hBN薄片与所述氧化层直接接触，所述氧化层位于所述高掺杂的硅片与所述hBN薄片之间。由于hBN薄片具有原子级平整的表面，该原子级平整的表面没有悬空键，因此，所述hBN薄片可以屏蔽来自SiO2表面的电荷掺杂。将悬空设置的一根半导体性碳纳米管的内壳拉出，然后使用两个钨尖端将所述半导体性碳纳米管放在所述hBN薄片上。通过电学测量仅选择半导体性碳纳米管。由于所述半导体性碳纳米管的内壳拉出，该半导体性碳纳米管为单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。在带有显微操作器的光学显微镜下，将一片MoS2膜层叠在所述半导体性碳纳米管上，并且该MoS2膜仅覆盖所述半导体性碳纳米管的一部分。通过使用包括电子束光刻(EBL)、电子束蒸发和剥离在内的标准工艺，分别采用Pd(钯，厚度为50nm)和Au/Ti(金/钛，50nm/5nm)电极来连接所述半导体性碳纳米管和MoS2膜。也即，Pd与所述半导体性碳纳米管电连接，作为漏极109。Au/Ti电极与MoS2膜电连接，作为源极108。所述半导体性碳纳米管作为沟道层。如此，背栅型隧穿晶体管100制备完成，如图12所示。图12为背栅型隧穿晶体管100的结构示意图及外加测量电路图，主体是一根半导体型碳纳米管和二硫化钼构建的混合维度异质结，采用金属钯作为半导体型碳纳米管的接触电极，采用钛金(5nm/50nm)作为二硫化钼的接触电极，分别实现良好的p型欧姆接触和n型欧姆接触。图12中，与二硫化钼直接接触的两个电极均为钛金电极，与半导体型碳纳米管直接接触的三个电极均为钯电极。可以理解，图12中，与二硫化钼直接接触或者电连接的可以仅为一个钛金电极，与半导体型碳纳米管直接接触或者电连接的可以仅为一个钯电极。在测试中，重掺的硅衬底为栅极104，半导体型碳纳米管接漏极109，二硫化钼接源极108。
所述背栅型隧穿晶体管100的工作原理是：MoS2膜覆盖并且直接接触所述半导体性碳纳米管的一部分，这部分由p型转变为n型，从而使得所述半导体性碳纳米管的一部分为P型，另一部分为n型，因此所述半导体性碳纳米管形成pn结，在特定栅压下，载流子可以实现由p型碳纳米管的价带隧穿至n型碳纳米管的导带，也即载流子通过带间隧穿，实现了从漏极109到源极108的输运，而栅极104通过控制碳纳米管和MoS2中载流子的数量来控制隧穿电流，从而实现晶体管的开关转换。
图13至图29是对图12中的背栅型隧穿晶体管100进行各种性能表征。图13至图29中，“CNT”代表半导体性碳纳米管，“CNT with MoS2”代表中间部分被MoS2膜覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述接触部分)，“Before contact”代表所述半导体性碳纳米管和所述MoS2膜接触前，“After contact”代表所述半导体性碳纳米管和所述MoS2膜接触后，“overlapped region”代表所述MoS2膜和所述半导体性碳纳米管的交叠区域(也即所述接触部分)，“BTBT region”代表在对应栅压范围内，带间隧穿机制主导载流子的输运带间隧穿区域，“Diffusion region”代表在对应栅压范围内，热扩散机制主导载流子的输运扩散区域，“BTBT current”代表带间隧穿电流。
图13为以对数形式表示的所述背栅型隧穿晶体管100的电流扫描图，横轴为栅压(栅极104电压)，纵轴为源漏偏压。两条虚线划分出背栅型隧穿晶体管100在不同栅压下的工作模式，从右往左依次为nn结区域，pn结区域，BTBT区域。图14为所述背栅型隧穿晶体管100的转移特性曲线。
图15为所述背栅型隧穿晶体管100在BTBT工作模式下的典型输出特性曲线，由图15可知，反向电流大于正向电流。图16为所述背栅型隧穿晶体管100在pn结工作模式下的典型输出特性曲线，图16呈现明显的正向整流特征。图17为所述背栅型隧穿晶体管100在nn结工作模式下的典型输出特性曲线，图17呈现正反对称的输出特点。所述pn结工作模式和所述nn结工作模式指的是在栅压(栅极电压)调节下不同的工作模式，nn结工作模式对应的栅压范围大致为+35～+45V,pn结工作模式对应的栅压范围大致为+20V～+35V，BTBT工作模式对应的栅压范围大概为-20V～+20V。
图18为一根半导体性碳纳米管中间覆盖有MoS2的所述背栅型隧穿晶体管100的转移特性曲线和在同一根半导体性碳纳米管上制备的单独碳纳米管晶体管的转移特性曲线的对比，其中，所述单独碳纳米管晶体管与所述背栅型隧穿晶体管100的唯一区别是：所述单独碳纳米管晶体管不含有所述MoS2膜，也即半导体性碳纳米管并没有被MoS2覆盖；所述背栅型隧穿晶体管100含有所述MoS2膜，也即半导体性碳纳米管的一部分被MoS2覆盖。图18中，由图18可以看到，所述背栅型隧穿晶体管100除了和所述单独碳纳米管晶体管在～+35V(伏特)时共有的关断点之外，半导体性碳纳米管中间覆盖有MoS2的背栅型隧穿晶体管100的转移特性曲线在-5V附近又多了一个关断点。这证明了MoS2覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述接触部分)和没有MoS2覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述暴露部分)的掺杂水平是不同的。单根碳纳米管12没有与MoS2膜接触之前，所述单根碳纳米管12是一维p型通道，MoS2膜是二维n型通道，MoS2膜的费米能级高于没有与MoS2膜接触的单根碳纳米管12。当单根碳纳米管12与MoS2膜接触之后，电子可以自发地从MoS2膜转移到单根碳纳米管12，直到单根碳纳米管12与MoS2膜的费米能级对齐或者相等。由于电子自发从MoS2膜向MoS2膜覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述接触部分)转移，因此被MoS2膜覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述接触部分)由p型转为n型，没有被MoS2膜覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述暴露部分)依然为p型。
图19为所述背栅型隧穿晶体管100的光电流图。图19可以反映在MoS2膜和半导体性碳纳米管的交叠区域(也即所述接触部分)，内建电场的方向是由MoS2指向半导体性碳纳米管的，证明了电子由MoS2向半导体性碳纳米管的自发转移。
图20为所述背栅型隧穿晶体管100中半导体性碳纳米管和MoS2膜接触前的能带图。图21为所述背栅型隧穿晶体管100的半导体性碳纳米管和MoS2膜接触后的能带图。由图21可以得知，在MoS2膜和半导体性碳纳米管的交叠区域(也即所述接触部分)，半导体性碳纳米管由p型转变为n型。
图22为所述背栅型隧穿晶体管100的在不同温度下的转移特性曲线。图23为从图22中提取出的在扩散区域和BTBT区域的亚阈值摆幅。由图23可以看到，在扩散区域，亚阈值摆幅随着温度的降低而减小；而在BTBT区域，亚阈值摆幅不随温度的降低而变化。这证明了所述背栅型隧穿晶体管100在BTBT区域确实是在带间隧穿机制下工作。
图24为以半对数标度绘制的所述背栅型隧穿晶体管100中CNT-MoS2异质结构在BTBT工作模式时不同栅极电压下的典型输出曲线。图25为反向偏置时反向整流二极管的能带图，图26为反向偏压下齐纳二极管的能带图。其中，所述反向整流二极管和所述齐纳二极管的工作机制都是带间隧穿(BTBT)，不同的是，所述反向整流二极管在小的反向电压下，就会有反向电流；对于所述齐纳二极管，只有反向电压达到特定值后，才能开启反向电流。图27为Vg＝20V时BTBT状态下的温度相关输出曲线。图28为Vg＝20V时带间隧穿电流(BTBT电流)和正向偏置电流与温度的反斜率。图29为温度为130K的源极108漏极109电流Ids映像图，由图29可以得知，肩峰与主峰明显分离。图24至图29均是对于BTBT区域的输出特性的分析。
本发明第四实施例进一步提供中间覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管和单纯的金属性碳纳米管场效应晶体管的对比实验，以验证MoS2膜对金属性碳纳米管同样进行了n型掺杂。所述中间覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管与所述背栅型隧穿晶体管100的唯一区别是：所述中间覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管中采用金属性碳纳米管，而所述背栅型隧穿晶体管100中采用半导体性碳纳米管。所述单纯的金属性碳纳米管场效应晶体管与所述中间覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管的唯一区别是：单纯的金属性碳纳米管场效应晶体管不含有所述MoS2膜，也即金属性碳纳米管并没有被MoS2膜覆盖；所述中间覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管含有所述MoS2膜，也即金属性碳纳米管的一部分被MoS2膜覆盖。
图30为单纯的金属性碳纳米管场效应晶体管和覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管场效应晶体管的转移特性曲线。图30中，“mCNT”代表金属性碳纳米管。由图30可以得知，覆盖有MoS2膜的金属性碳纳米管，由于MoS2膜对其覆盖的金属性碳纳米管(即金属性碳纳米管被MoS2膜覆盖的部分)的电子掺杂，转移特性曲线多出现了一个狄拉克点，如箭头所示。由此可证明，MoS2膜对金属性碳纳米管同样进行了n型掺杂，即金属性碳纳米管被MoS2膜覆盖的部分由P型转变为n型，金属性碳纳米管未被MoS2膜覆盖的部分依然为p型。
请参见图31，本发明第五实施例提供一种顶栅型隧穿晶体管200，其包括一所述单根碳纳米管12、一所述膜状结构14、一所述源极108、一所述漏极109、一所述绝缘层106及一所述栅极104。所述顶栅型隧穿晶体管200可以形成在一所述绝缘基底102表面。所述单根碳纳米管12为半导体性碳纳米管。
所述单根碳纳米管12设置于所述绝缘基底102表面，所述膜状结构14覆盖所述单根碳纳米管12的一部分，并且与该部分的外表面直接接触。由于单根碳纳米管12为一维，膜状结构14为二维，因此所述膜状结构14一部分与所述单根碳纳米管12的一部分直接接触，所述膜状结构14另一部分与所述绝缘基底102直接接触。所述漏极109与所述单根碳纳米管12电连接，所述源极108与所述膜状结构14电连接。所述绝缘层106覆盖所述源极108、膜状结构14、单根碳纳米管12及漏极109。所述栅极104设置在所述绝缘层106远离绝缘基底102的表面。也即，所述绝缘层106使得所述源极108、膜状结构14、单根碳纳米管12、漏极109均与所述栅极104电绝缘。
可以理解，根据具体的形成工艺不同，所述绝缘层106不必完全覆盖所述源极108、膜状结构14、单根碳纳米管12及漏极109，只要能保证所述源极108、膜状结构14、单根碳纳米管12、漏极109与所述栅极104绝缘即可。
第五实施例提供的顶栅型隧穿晶体管200与第四实施例提供的背栅型隧穿晶体管100相似，其区别在于：前者是顶栅型，后者是背栅型。第五实施例中单根碳纳米管12、膜状结构14、源极108、漏极109、绝缘层106及栅极104的结构、材料、尺寸等均与第四实施例中的相同，这里不再赘述。
第四实施例提供的背栅型隧穿晶体管100和第五实施例提供的顶栅型隧穿晶体管200具有以下优点：第一、单根半导体性碳纳米管同时含有p型和n型，电子可以从p型隧穿到n型，实现带间隧穿(band to band tunneling,BTBT)；第二、一维的单根半导体性碳纳米管和二维的MoS2膜(或者WS2膜)结合具有优异的栅极104可控性；第三、独特的单根半导体性碳纳米管与二维的MoS2膜(或者WS2膜)之间具有强耦合的理想界面，可以提高导通电流、降低亚阈值摆幅；第四、所述绝缘层106具有原子级平整的表面，由于绝缘层106的表面原子级平整，无悬空键，因此所述绝缘层106可以屏蔽来自栅极104表面的电荷掺杂。
请参见图32，本发明第六实施例提供一种碳纳米管p型掺杂的方法，其包括以下步骤：
S61，提供一个单根碳纳米管12；
S62，提供一个层状结构16，该层状结构16为二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜；以及
S63，将所述层状结构16至少直接接触所述单根碳纳米管12的一部分。
步骤S62中，所述二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜均为二维膜状结构14。所述WSe2膜的材料是WSe2，所述黑磷膜的材料是黑磷。
步骤S63中，所述单根碳纳米管12可以被所述层状结构16完全覆盖，也可以被所述层状结构16部分覆盖。也即，所述层状结构16可以覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的一部分，而单根碳纳米管12的另一部分暴露。所述层状结构16也可以覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的全部。凡是被所述层状结构16覆盖的碳纳米管部分均与所述层状结构16直接接触。也即，所述层状结构16可以直接接触单根碳纳米管12的一部分，也可以直接接触单根碳纳米管12的全部。如图33所示，所述层状结构16覆盖并且直接接触单根碳纳米管12的一部分。如图34所示，所述层状结构16覆盖并且直接接触单根碳纳米管12全部的上表面。
定义所述单根碳纳米管12中与所述层状结构16直接接触的部分为接触部分，定义所述单根碳纳米管12中没有与所述层状结构16直接接触的部分为暴露部分。也即，所述单根碳纳米管12由接触部分和暴露部分组成。
碳纳米管本身为p型，然而在实际应用中，依然需要给本身为p型的碳纳米管进行p掺杂。所述层状结构16直接接触所述接触部分，WSe2或者黑磷向所述接触部分贡献空穴，也即空穴从WSe2或者黑磷进入所述接触部分，从而所述接触部分进行p掺杂。此时，所述单根碳纳米管12的暴露部分依然为p型。也即，所述单根碳纳米管12整体均未p型。
第六实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法与第一实施例提供的碳纳米管n型掺杂的方法相似，其区别在于：第一实施例中，将膜状结构14覆盖单根碳纳米管12的一部分或者全部，该膜状结构14的材料为二硫化钼或者二硫化钨，从而使得被膜状结构14覆盖的碳纳米管部分被n型掺杂，其由p型转变为n型，也即所述单根碳纳米管12一部分为p型，一部分为n型；第六实施例中，将层状结构16覆盖单根碳纳米管12的一部分或者全部，该层状结构16的材料为二硒化钨或者黑磷，从而使得被层状结构16覆盖的碳纳米管部分被p型掺杂，所述单根碳纳米管12整体均为p型。第六实施例中单根碳纳米管12的类型、尺寸，以及层状结构16的尺寸等均与第一实施例中单根碳纳米管12的类型、尺寸，以及膜状结构14的尺寸等相同，这里不再赘述。
本发明第六实施例进一步提供覆盖有WSe2膜的碳纳米管场效应晶体管和单纯的碳纳米管场效应晶体管的对比实验，以验证WSe2膜对碳纳米管进行了p型掺杂。所述单纯的碳纳米管场效应晶体管与所述覆盖有WSe2膜的碳纳米管场效应晶体管的唯一区别是：单纯的碳纳米管场效应晶体管不含有所述WSe2膜，也即碳纳米管并没有被WSe2膜覆盖；所述覆盖有WSe2膜的碳纳米管场效应晶体管含有所述WSe2膜，也即碳纳米管的一部分被WSe2膜覆盖。
图35为中间部分覆盖有WSe2膜的碳纳米管场效应晶体管和单纯的碳纳米管场效应晶体管的转移特性曲线。由图35可以得知，中间部分覆盖有WSe2的碳纳米管场效应晶体管除了和单独碳纳米管场效应晶体管在～-18V(伏特)时共有的关断点之外，半导体性碳纳米管中间覆盖有WSe2的背栅型隧穿晶体管的转移特性曲线在+5V附近又多了一个关断点。这证明了WSe2覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述接触部分)和没有WSe2覆盖的半导体性碳纳米管(也即所述暴露部分)的掺杂水平是不同的。在两者接触之前，单根碳纳米管是一维以p型为主的双极性通道，WSe2膜是二维p型通道。在两者接触之后，由于空穴自发地从WSe2膜中向WSe2膜覆盖的半导体型碳纳米管转移，因此，未被WSe2覆盖的碳纳米管在栅极电压调节下，由p型转变为n型时，被WSe2覆盖的半导体型碳纳米管仍然保持p型；当WSe2中的空穴被耗尽时，被WSe2覆盖的碳纳米管部分才由p型转变为n型，形成第二个关断点。由此可证明，碳纳米管被WSe2膜覆盖的部分进行了P型掺杂，碳纳米管未被WSe2膜覆盖的部分没有进行P型掺杂。
请参见图36，本发明第七实施例提供一种碳纳米管p型掺杂的方法，其包括以下步骤：
S71，提供多个间隔设置的单根碳纳米管12；
S72，提供一个层状结构16，该层状结构16为二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜；以及
S73，将所述层状结构16同时覆盖所述多个单根碳纳米管12，每个单根碳纳米管12的至少一部分直接接触所述层状结构16。
第七实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法与第六实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法相似，不同之处在于：第六实施例中，二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜覆盖一个单根碳纳米管12的至少一部分；第七实施例中，二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜同时覆盖多个间隔设置的单根碳纳米管12的至少一部分。
步骤S71中，多个间隔设置的单根碳纳米管12的延伸方向相互平行。
步骤S73中，所述二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜可以同时覆盖多个单根碳纳米管12的一部分，从而使得每个单根碳纳米管12的一部分进行p型掺杂。所述二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜可以同时覆盖多个单根碳纳米管12的全部，从而使得每个单根碳纳米管12全部进行p型掺杂。
第六实施例和第七实施例提供的碳纳米管p型掺杂的方法具有以下优点：第一、所述二硒化钨(WSe2)膜或者黑磷(BP)膜直接接触单根碳纳米管12的一部分或者全部，可以对所述单根碳纳米管12实现p型掺杂；第二、可以同时使多个单根碳纳米管12进行p掺杂；第三、方法简单，p型掺杂效果好。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管复合结构包括：
至少一单根碳纳米管，每个单根碳纳米管包括至少一p型部分和至少一n型部分；以及
至少一膜状结构，该至少一膜状结构覆盖所述至少一n型部分，所述膜状结构为二硫化钼膜或者二硫化钨膜。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，每个单根碳纳米管包括多个p型部分和多个n型部分，所述多个p型部分和所述多个n型部分交替设置。
3.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一单根碳纳米管为多个单根碳纳米管，该多个单根碳纳米管相互平行且间隔设置。
4.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一膜状结构直接接触所述至少一n型部分，所述至少一p型部分暴露。
5.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一单根碳纳米管为p-n-p型、n-p-n型、n-p-n-p型或者p-n-p-n型。
6.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管复合结构由一所述单根碳纳米管和一所述膜状结构组成，所述单根碳纳米管由一所述p型部分和一所述n型部分组成，所述膜状结构覆盖所述n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
7.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一单根碳纳米管中每个单根碳纳米管由一第一p型部分、一第二p型部分和一所述n型部分组成，该n型部分位于所述第一p型部分和所述第二p型部分之间，并且一膜状结构仅覆盖所述n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
8.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一单根碳纳米管中每个单根碳纳米管由一第一n型部分、一第二n型部分和一p型部分组成，该p型部分位于所述第一n型部分和所述第二n型部分之间，一膜状结构覆盖所述第一n型部分并且与该第一n型部分的外表面直接接触，另一膜状结构覆盖所述第二n型部分并且与该第二n型部分的外表面直接接触。
9.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管复合结构由多个单根碳纳米管和一个所述膜状结构组成，每个单根碳纳米管包括一p型部分和一n型部分，所述膜状结构同时覆盖所述多个单根碳纳米管的n型部分并且与该n型部分的外表面直接接触。
10.如权利要求9所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个单根碳纳米管相互平行且间隔设置。
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