CN1269195C

CN1269195C - 一种纳米晶体管的制备方法

Info

Publication number: CN1269195C
Application number: CN 03136105
Authority: CN
Inventors: 李秋红; 王太宏
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: CN1549314A

Abstract

本发明公开了一种纳米晶体管的制备方法，包括步骤：在导电基片上氧化、生长或沉积绝缘层，制备出所需衬底；在衬底上制备源漏极的金属电极；将纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，形成良好的欧姆接触；将上述器件置于真空室中，并在纳米材料两端通电流，停止通电流后，对器件进行引线、封装，这就完成了高性能纳米晶体管的制备。这种方法所制备的晶体管具有如下优点：接触电阻小、性能稳定、噪声低、跨导大、增益大、漏电流小，可承受大的电流，寿命长、时间响应快，适合于高频电路的集成。

Description

一种纳米晶体管的制备方法

技术领域

本发明涉及微电子器件的制备与其性能的提高，特别是涉及一种高性能纳米晶体管制备方法。

背景技术

随着微电子技术的不断发展，器件的尺寸越来越小，集成度越来越高。当用硅制造的芯片不能更小时，碳纳米管很可能就是代替硅的最佳选择。在计算机小型化和节能化的研究方面，碳纳米管引起的科技进步将超出人们的想象。当硅场效应晶体管的栅长减小到35纳米的临界尺寸时，其价格将不再随尺寸的减小而降低。预测在未来10到15年内，利用硅制造的芯片将很难变得更小，难以满足计算机发展对芯片大小和运行速度的要求。

碳纳米管是最有潜力的候选材料，它是由石墨卷曲而成的中空的圆柱体，两端由富勒烯半球封顶。根据卷曲的层数，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管是自然界中最硬的光纤，比钢铁还要硬10倍，而且碳碳键具有高的结合能。碳纳米管具有许多优异的性质，如高的力学强度、高的热学和化学稳定性，特别是其独特的电学性质，即碳纳米管可以具有半导体性和金属性，这取决于其结构参数。金属性碳纳米管上可以通过极大的电流密度，半导体性碳纳米管可以通过电场调节实现开、关状态的转换。因此碳纳米管在电子电路上显示出非常好的应用前景。目前广泛采用的制备方法有电弧放电法、化学气相沉积法、激光烧蚀法等，生产出来的碳纳米管含有较多的杂质成分，并且难以分离，需要经过复杂的处理过程才能用于制作纳米器件。处理过程又会引入新的缺陷，对纳米管本身也有损害，也影响了碳纳米管器件的性能。另一方面，在碳纳米管器件制备过程中也会引入新的缺陷，吸附氧气等气体分子。碳纳米管主要通过最外层导电，属于一种表面型导电，而不是通常的体内导电。因此，吸附物对碳纳米管电传导性质有很大的散射作用。即使是一个杂质的散射，也会大大减少碳纳米管的电导。碳纳米管中的氧气可以作为施主杂质，提供空穴载流子。如将其除去，碳纳米管的性质将有较大改变。氧分子的除去会降低载流子浓度，减小电导。但碳纳米管载流子浓度的提高可通过其它方法来解决。比如：(1)吸附物掺杂，(2)可控的化学掺杂，(3)栅压调控的电注入。吸附物的掺杂不易控制，而后两种方法可以有效的控制掺杂浓度。当碳纳米管中的吸附物，特别是氧气被除去后，可以通过后两种方法补偿因氧的除去而导致的载流子浓度的减少。所以，碳纳米管中吸附物的除去不会降低其电性能，反而会大大增加加其电导。

碳纳米管的温度可由Collins等人[P.G.Collins，M.Hersam，M.Arnold，R.Martel，Ph.Avouris，Phys.Rev.Lett.86，3128(2001)]的估算公式给出：T_p＝P×Length/(8K×Area)+293，其中P为碳纳米管的热功率，Length为碳纳米管在源漏电极间的长度，K为碳纳米管的热导，Area为碳纳米管的截面积。由于文献报道的碳纳米管的热导值差异很大，从25W/mK到3000W/mK，因此根据此公式只可大致估算碳纳米管中部的温度。

高温过程可以除去碳纳米管上的杂质或吸附物，改进碳纳米管的性质，这已被许多实验证实。Purcell等人利用焦耳热除去碳纳米管上的吸附物，得到稳定的场发射电流[S.T.Purcell，P.Vincent，C.Journet and V.T.Binh Phy.Rev.Lett.88，105502(2002)]。Llaguno等人将碳纳米管在1200℃退火，发现退火过程使碳纳米管结构趋于晶化，结构更加完美[M.C.Llaguno，J.Hone，A.T.Johnson and J.E.Fischer，Electronicproperties of molecular nanostructures CP 591，American Institute ofPhysics，2001，edited by H.Kuzmany et al p.384]。Krasheninnikov等人将离子引入缺陷的碳纳米管在1500K退火，发现缺陷数量有明显的减少[A.V.Krasheninnikov，K.Nordlund and J.Keinonen，Phy.Rev.B 65，165423(2002)]。Andrews等人在石墨温度下(1600℃-3000℃)退火，发现高温过程除去了碳纳米管上的残留的金属催化剂颗粒，减少了管壁上的缺陷[R.Andrews，D.Jacques，D.Qian and E.C.Dickey，Carbon 39，1681(2001)]。这些都证明了高温处理过程能够提高碳纳米管的性能。

目前制备的碳纳米管晶体管主要分为三类：(1)碳纳米管在源漏金属电极的下面，(2)碳纳米管在源漏金属电极的上面，(3)碳纳米管两端分别埋在源、漏电极的金属层中，包括在金属层中间。最初的碳纳米管晶体管[S.J.Tans，A.R.M.Verschueren，C.Dekker，Nature，393，49(1998)；R.Martel，T.Schmidt，H.R.Shea，et al，Appl.Phys.Lett.73，2447(1998)]是先做好电极，再将管置于源漏极之上，因为碳纳米管未经退火处理，碳纳米管与源漏极的接触电阻非常大，为MΩ数量级；晶体管的增益很小，只有0.35。之后将碳纳米管晶体管在700℃以上的高温下退火，形成碳与钛的化合物，减小了接触电阻。这种晶体管的接触电阻减小了，但它的其它性能并未有大的提高。随源漏极偏压的增加，这种晶体管的源漏极电流却很快饱和了。其中的高温退火过程对晶体管电极、以及电路中的其它单元件有很大的破坏作用，也会引起纳米管与基片材料的反应，如SiC等碳化物的形成。将碳纳米管置于电极之下可减小源漏极的接触电阻，在这种晶体管的制备过程中，首先将碳纳米管置于衬底上，再通过匀胶、曝光、显影、定影，金属沉积、剥离、清洗等系列过程后才形成源、漏极电极。这系列过程大大增加了对碳纳米管的污染、对碳纳米管管壁损伤甚至破损碳纳米管。和第一种晶体管一样，这种晶体管的源漏极电流随其偏压的增加而很快饱和，不能显示碳纳米管晶体管本身的优点。这种晶体管中的碳纳米管与衬底接触，特别是接触后又经历了系列的工艺过程，载流子在碳纳米管通道中遭受很大的散射，这大大降低了器件的性能。这种晶体管的制备中，很难保证选取的是单根碳纳米管，也有难排序和定位的问题。若多根碳纳米管与源漏极的金属电极接触，所制备出的晶体管将有大的漏电流和小跨导的不足。

其它纳米材料与上述碳纳米管一样，在采用上述方法制备晶体管时也存在相同的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能纳米晶体管的制备方法，这种方法既既避免了对衬底的整体高温过程，又减小了源漏极的接触电阻，方法简单、易控，且能保证源漏极间的通道为单根纳米管、单根纳米线、单根纳米带等一维纳米材料，减小了晶体管的漏电流，增加了跨导，适合于采用纳米材料的排序和定位技术来制备纳米晶体管，特别适合于纳米晶体管的电路的制备。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：在器件封装前将其在真空中通过大的源漏极电流，通过电流引起的焦耳热去掉纳米材料表面的吸附物和对纳米材料退火来提高纳米材料器件的电性能，同时改善电极与纳米材料的接触。通过栅耗尽半导体性纳米材料的载流子并利用在真空中通大电流的方法来烧断金属性的纳米材料。这种方法还可将单根多壁纳米管转变为单根单壁纳米管。从而制备出本发明的高性能纳米晶体管。

本发明包括以下步骤：

(1)在基片上氧化、生长或沉积绝缘层，制备出所需衬底；

(2)在衬底上制备源漏极的金属电极；

(3)将一维纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连；

(4)将上述器件置于真空室中，并在一维纳米材料两端通电流。

(5)停止通电流后，对器件进行引线、封装。

在纳米材料两端通电流时是逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。

所述的基片为导电基片。导电基片可以为Si、GaAs等掺杂的半导体性导电基片，也可以是金属，包括Au、Ag、Cu、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni等金属及其合金。

所述的衬底包括导电基片和绝缘层。衬底的绝缘层为绝缘材料，包括SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、HfO₂、Y₂O₃、La₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、ZrO₂、LaAlO₂等。绝缘层厚度为1nm-1mm。

所述电极的制备方法是在衬底的表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成源、漏极电极。

所述电极的制备方法也可以是在衬底的绝缘层表面覆盖绝缘材料，再放置一维纳米材料，在一维纳米材料两端利用电子束光刻法制备源漏电极图形，利用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，经剥离清洗后形成电极。

所述的金属电极包括Au、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni金属及它们的合金。金属电极的厚度为1nm-1mm，电极间的间隔小于所选纳米材料的长度。

纳米材料两端可以悬空置于两电极上，也可以将其两端埋在两电极金属层中，还可以将纳米材料两端直接放于两电极金属层下。

所述的纳米材料可以与衬底绝缘层接触，也可以不与衬底绝缘层接触。如不接触，则会降低基片对纳米管中载流子的散射，从而进一步提高晶体管的性能。

所述的真空室的真空度高于1×10^-2乇。

所述方法在室温即可进行，也可运用于低温或高温情况，其高温不能高于金属电极材料在相应真空下的熔化、蒸发或挥发温度，也不能高于纳米材料的分解温度。

所述的纳米材料是具有半导体性的单根一维纳米材料，包括纳米管、纳米带和纳米线，如碳纳米管、硅纳米管、氧化钛纳米管、氧化锌纳米带、硅纳米线、铟砷纳米线、磷化铟纳米线等。其中纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。

本发明在纳米材料两端施加一定的电压，去除纳米材料中的吸附物并降低缺陷密度，对纳米材料有退火作用，可以原位改善纳米材料的质量，提高器件的性能。所加偏压既可为恒定偏压，也可为扫描偏压。对所加的扫描偏压来说，增加偏压即增大扫描范围。本发明的高性能的纳米材料晶体管的制备有四个基本条件：(1)所选纳米材料为半导体型单根纳米管、单根纳米线、单根纳米带等一维纳米材料；(2)封装前通电流的真空度足够高；(3)通过纳米材料的电流足够大，纳米材料的耗散功率足够大；(4)通电流时间足够长。若真空度不够，残存的氧很容易使纳米材料管壁在大电流下因氧化而破损；在足够高的真空度下，大电流可去除纳米材料表面的吸附物。纳米材料上的耗散热功率足够大时，纳米材料缺陷附近热导较低，将导致局部温度上升得很高，起到退火、降低缺陷密度、减小纳米材料电阻的作用。真空中纳米材料上通大电流还可进一步改善源漏极的欧姆接触，提高器件的性能。通电流时间足够长，以保证纳米材料在一段时间内保持较高的温度，从而使纳米材料表面的吸附物脱去，并完成对纳米材料的退火。

真空中在纳米材料两端通电流可提高纳米材料电性能的原理如下：

纳米材料本身可视为一个电阻，由于纳米材料本身带有一定的吸附物、杂质，缺陷较多，因此纳米材料电阻较大。当纳米材料上流过一定的电流时，纳米材料上产生焦耳热，其耗散功率可表示为P＝I²R。由于焦耳热的产生，纳米材料的温度会上升，并远远超过环境温度。对于低质量的纳米材料，因其存在着大量的缺陷、杂质等，纳米材料的热导率较低，产生的焦耳热不易扩散出去，因而低质量纳米材料温度会上升得更高。尤其在对热传递及电输运起阻碍作用的吸附物及缺陷附近，局部温度更高，对纳米材料起到局部高温退火作用。所以在真空中吸附物会脱离纳米材料表面，由于退火作用，纳米材料缺陷密度降低，或缺陷在纳米材料中的排列趋于有序。纳米管导电是一种表面导电，电子在纳米材料表面运动，表面上的杂质对其运动有较大的散射作用，所以即使是一个杂质的除去也会导致其电导的提高。对其他纳米材料，吸附物的除去、缺陷的消除以及缺陷有序的排列也可增加源漏极间通道的电导。因而可以通过监控其电流或电导的变化来判断纳米材料电性能提高的程度。

高温过程可以除去纳米材料上的杂质或吸附物，改进纳米材料的性质，这已被许多实验证实。因而本发明提出的真空中对纳米材料通电流来提高纳米材料质量或电性能的方法从原理和实践两方面来说都是可靠和行得通的。

利用高频强电场方法可对纳米材料进行排序和定位，利用原子力显微镜技术可操作单根纳米管、单根纳米线、单根纳米带等一维纳米材料。根据卷曲的层数，纳米管可分为单壁纳米管和多壁纳米管。纳米材料可以具有半导体性和金属性，这取决于其结构参数。多壁纳米材料中的各层可为金属性，也可为半导体性。若多根纳米管、多根纳米线或多根纳米带与源漏极的金属电极接触，所制备出的晶体管将有大的漏电流和小跨导的不足。栅偏压可调控半导体性纳米材料的载流子浓度，但不能调控金属性纳米材料的载流子浓度。这将减低栅偏压对源漏极电流或跨导的控制能力，也不能使晶体管处于截止状态。对于单根多壁纳米管来说，我们可以通过栅耗尽半导体性的载流子并利用在真空中通大电流的方法来烧断金属性的纳米管层[P.G.Co1lins，M.S.Arnold，Ph.Avouris，Science，292，706(2001)]。这种方法还可将单根多壁纳米管转变为单根单壁纳米管。

真空原位大电流退火降低了源漏极的接触电阻，也提高了纳米材料的质量，使晶体管可通过较大的电流；若纳米晶体管置于源漏极的金属电极上则降低了衬底对纳米材料的散射，降低了器件噪声并增加了器件的稳定性；只选单根半导体性的纳米材料作为晶体管通道，减小了栅极的漏电流，增加了晶体管的跨导并提高了其增益；器件封装前在真空通大电流使原吸附在纳米材料表面的分子脱附，特别是对纳米材料有腐蚀作用的吸附物，这进一步提高了晶体管的寿命；选用单根半导体性的纳米材料，特别是单根单壁纳米管，减小了通道电容，真空原位大电流退火导致的源漏极接触电阻的减小和纳米管本身质量的提高，将大大减小晶体管的RC值，提高它的时间响应，使其适合于高频电路的集成。从而实现了高性能纳米晶体管。

本发明的制备高性能纳米晶体管方法的优点在于：采用真空中通电流引起的焦耳热改善纳米材料与金属电极间的接触，去掉纳米材料表面的吸附物，同时该过程对纳米材料有退火作用。对纳米材料的退火可以减少缺陷密度，也可以使纳米材料中的缺陷排列有序，从而提高纳米材料本身的质量，提高基于纳米材料的晶体管的电性能。这种方法特别适合于提高单根纳米管、单根纳米线、单根纳米带等一维纳米材料的电性能，同时还能改善源漏极的欧姆接触，从而提高纳米晶体管的电性能。较其它方法，该方法既可除去纳米材料表面的吸附物，也可对纳米材料实行退火，提高晶化程度，减少缺陷，还可改善接触，提高器件的性能。因而这种器件制备方法的优点在于：(1)方法简单、可控；(2)应用范围广；(3)不会损伤或损失纳米材料；(4)可局部或原位提高纳米材料的质量，避免工艺过程纳米材料表面的再度污染或产生新的缺陷。所制备的晶体管具有如下优点：(1)接触电阻小，(2)性能稳定，噪声低，(3)跨导大，(4)增益大，(5)漏电流小，(6)可承受大的电流，(7)寿命长，(8)时间响应快，适合于高频电路的集成。

本发明制备的高性能纳米晶体管的方法，包括以下步骤：

1.在导电基片上氧化、生长或沉积绝缘层，制备出所需衬底；

2.在上述衬底的表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成源、漏极电极；

3.将半导体性纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，纳米材料和电极之间形成良好的电接触，纳米材料可与衬底绝缘层接触，也可不与衬底绝缘层接触；

4.将上述制备好电极并放置了纳米材料的器件放在真空室中，真空度高于1×10^-2乇，其中真空室中放置器件的支撑物的温度可以为室温、低温或高温；其高温不能高于金属电极材料在相应真空下的蒸发温度，也不能高于纳米材料的分解温度；

5.在源漏极上逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。为防止因电流突然增加而烧坏纳米晶体管，只有在源漏电流稳定后，再进一步增大偏压。当电压从零逐渐增加的时候，金属电极与纳米材料的接触将首先得到改善，形成良好的电接触，然后在大电流下纳米材料的质量得到很大的提高。真空中纳米材料表面的吸附物由于通电流引起的焦耳热而脱附，同时由于高温对纳米材料的退火将减少其缺陷密度，也可以使纳米材料中的缺陷排列有序，从而提高纳米材料本身的质量，改善纳米材料晶体管的电性能。对器件进行封装后，就完成了高性能纳米晶体管的制备。

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。

附图说明

图1：本发明的的原理结构示意图，其中纳米材料置于源漏极之上。

图2：本发明的的原理结构示意图，其中纳米材料两端埋在电极之中。

图3：实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-1V到1V，图中显示了加第一次扫描电压时的I-V曲线。

图4：实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-1V到1V，图中显示了电压扫描三次的I-V曲线。

图5：实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-2V到2V，共扫描六次。

图6：实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-3V到3V，共扫描五次，分别标为1-5，表示从第一次到第五次的扫描。

图7：实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-4V到4V，共扫描九次，分别标为1-9，表示第一次到第九次的扫描。

图8：实施例1中扫描偏压从-6.1V到6.1V测量所得时I-V曲线。

附图标记：

1-衬底 2-衬底上的绝缘层 3-源极 4-漏极

5-纳米材料

具体实施方式

实施例1

选用(001)取向的n⁺型高掺杂硅，在硅表面上通过热氧化的方法生长出一层500nm厚的SiO₂层，作为绝缘层2，从而完成了衬底1的制备，其中高掺杂衬底作为背栅。在衬底1表面匀胶、曝光、显影和定影，采用电子束蒸发方法先后沉积10nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是100μm×100μm，电极间距为1μm；采用原子力显微镜技术将单根碳纳米管置于源漏电极上并分别与两电极形成良好的电接触，其中碳纳米管由化学气相沉积方法合成，直径为15nm。图1为其结构示意图。

将上述器件置于真空室中，真空度为3×10^-5mbar，在室温下源漏极两端施加偏压，同时监控源漏极的电流-电压(I-V)曲线。起初在源漏电极加上较小的扫描偏压，由-1V到1V，所得I-V曲线不对称，而且不光滑，特别是在-1V附近显示出较大的涨落(参照图2)，这说明碳纳米管与电极的接触还不是很稳定。I-V曲线从-0.14V到0.19V表现出近似线性的特征，电阻为30MΩ。在-1V到1V重复扫描，每次得到的I-V曲线并不重合，图3给出了扫描三次电压的I-V曲线，显示出很大的涨落，三条曲线不重合，说明碳纳米管的电性能不稳定。增大扫描偏压，从-2V到2V，I-V曲线仍然不光滑。图4给出了连续扫描6次的I-V曲线，曲线不重合，说明接触仍不稳定，但在零偏压附近电阻由10MΩ减小到1MΩ。当扫描电压变为-3V到3V时，接触趋于稳定。图5给出了扫描电压由-3V到3V时的I-V曲线。连续扫描5次，第一次扫描的I-V曲线与后四次扫描的I-V曲线有很大的不同，而后四次扫描的I-V曲线差别很小，零偏压附近电阻由0.5MΩ减小到0.16MΩ，我们可以认为碳纳米管与电极间的接触已经趋于稳定。继续加大扫描偏压范围。当扫描偏压由-4V到4V时，从I-V曲线上已经看不到噪音，I-V曲线很光滑。连续扫描9次，所得到的I-V曲线如图6所示，分别标为1-9，表示从第一次到第九次的扫描。从这九条曲线上可看出，每扫描一次电压，电流都会有所增加。从曲线1到2、2到3、3到4，电流增加值较小，而从曲线4到5，电流突然增大许多。同样，从曲线5到6、6到7、7到8，电流增加值较小，而从曲线8到9，电流增加许多。从I-V曲线图上，可观察到曲线5和9在-4V附近有电流的跳变。从第一次到第九次扫描，零偏压附近的电阻由100kΩ减小到30kΩ。这些现象都说明碳纳米管晶体管的性能通过真空中通电流的方法得到了很大提高。如果继续增大偏压范围，所得的I-V曲线将会与曲线9重合。图7给出了扫描电压从-6.1V到6.1V时的I-V曲线，图6中曲线9与此曲线重合，从曲线上已可明显看到电流的饱和现象，此时可停止施加电压。对器件进行引线、封装，从而完成了高性能碳纳米管晶体管的制备。

在足够高的真空度下，随着扫描偏压的增大，源漏极与碳纳米管的接触得到了改善，碳纳米管经历了一次高温退火过程，吸附物脱附，缺陷密度降低，即使是最外层一个吸附物或缺陷的减少也会在很大程度上的提高碳纳米管的质量，而对碳纳米管不会造成伤害，碳纳米晶体管的性能得到了很大提高。

Collins等人[P.G.Collins，M.Hersam，M.Arnold，R.Martel，Ph.Avouris，Phys.Rev.Lett.86，3128(2001)]研究了大偏压下碳纳米管的输运性质，指出在大偏压下多壁碳纳米管的内层也会参与输运，而导致内层导通的原因，他们认为是径向的隧穿或电荷直接由金属电极注入某一特定内层，若按此原因，内层的导通依赖于偏压的大小，并且偏压的减小会减小隧穿或电荷注入，电流的突增现象可以重复。但在本发明中，电流突增现象不可逆，因此，所观察到的电流突增不是由于内层的导通而是碳纳米管本身质量的提高。这进一步证实了本发明制备的晶体管较其它碳纳米管晶体管有更好的性能。

实施例2

选用(111)取向的n⁺型高掺杂硅，在硅表面上沉积5μm厚的SiO₂层，作为绝缘层2，完成了衬底1的制备，其中高掺杂衬底作为背栅。在衬底1表面上匀胶、曝光、显影和定影，采用热蒸发方法沉积厚度为800nm的金，经剥离后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是50μm×50μm，电极间距为3μm；将一单根单壁碳纳米管置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触，其中碳纳米管是由化学气相沉积方法合成的单壁碳纳米管。其结构示意图参照图1。

将以上制备碳纳米管器件置于真空室中，真空度为1×10^-6mbar，器件基片的温度为77K，在源漏两端施加偏压，同时监控源漏两端的微分电导-电压曲线。首先微分电导随偏压的增加而增加，当偏压大于2V时观察到微分电导随偏压的增加开始减小。这时可断定纳米管质量已得到很大提高，此时可停止施加电压。对器件进行引线、封装，从而完成了高性能碳纳米管晶体管的制备。

实施例3

选用(111)取向的n⁺型高掺杂硅，在硅表面上沉积3nm厚的ZrO₂，作为衬底的绝缘层2，其中高掺杂衬底作为背栅。在衬底绝缘层表面覆盖上50nm厚的PMMA，在100℃烘烤1小时；将所选单根多壁碳纳米管置于基片绝缘层表面上覆盖的PMMA上，再在其上面覆盖50nm厚的PMMA，100℃下烘烤1小时。在碳纳米管两端利用电子束光刻法制备源漏电极图形，利用电子束沉积法沉积80nm厚的铝，经剥离清洗后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是100μm×100μm，电极间距为1μm；图2为其结构示意图。

利用实施例1描述的方法，在真空中源漏极两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。对器件进行引线、封装，从而完成了高性能碳纳米管晶体管的制备。

实施例4

选用(001)取向的n⁺型高掺杂硅，在硅表面上沉积9nm厚的Al₂O₃，作为衬底的绝缘层2，其中高掺杂衬底作为背栅。在衬底绝缘层2表面利用套刻的电子束光刻法制备源漏电极图形，利用电子束沉积法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是50μm×50μm，电极间距为0.3μm；在源漏极两端放置一根单壁碳纳米管，形成良好的电接触，其长和直径分别为0.5μm和1nm。

利用实施例1描述的方法，在真空中碳纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。

对器件进行引线、封装，从而完成了高性能碳纳米管晶体管的制备。

实施例5

选用(001)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积900nm厚的Al，利用Al在空气中的自然氧化形成2nm厚的Al₂O₃，作为衬底的绝缘层2，其中未氧化的Al层作为背栅。在衬底绝缘层2表面利用套刻的电子束光刻法制备源漏电极图形，利用电子束沉积法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是50μm×50μm，电极间距为0.1μm；在源漏极两端放置一根单壁硅纳米管，形成良好的电接触，其长和直径分别为2μm和1nm。

利用实施例1描述的方法，在真空中硅纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。

对器件进行引线、封装，从而完成了高性能硅纳米管晶体管的制备。

实施例6

选用(001)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积900nm厚的Al，利用Al在空气中的自然氧化形成2nm厚的Al₂O₃，作为衬底的绝缘层2，其中未氧化的Al层作为背栅。在衬底表面上匀胶、曝光、显影和定影，采用热蒸发方法沉积厚度为800nm的金，经剥离后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是50μm×50μm，电极间距为3μm；将单根氧化钛纳米管置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触。

利用实施例1描述的方法，在真空中氧化钛纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。

对器件进行引线、封装，从而完成了高性能氧化钛纳米管晶体管的制备。

实施例7

选用(001)取向的n⁺型高掺杂硅，在硅表面上沉积9nm厚的Al₂O₃，作为衬底的绝缘层。在衬底绝缘层表面利用套刻的电子束光刻法制备源漏电极图形，利用电子束沉积法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成源极3和漏极4，每个电极的大小是50μm×50μm，电极间距为0.3μm；在源漏极两端放置一根单壁磷化铟纳米线，形成良好的电接触，其长和直径分别为2μm和1nm。

利用实施例1描述的方法，在真空中磷化铟纳米线两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。

对器件进行引线、封装，从而完成了高性能磷化铟纳米线晶体管的制备。

上述方法同样适用于其他具有半导体性的纳米材料，如碳纳米管、硅纳米管、氧化钛纳米管、氧化锌纳米带、硅纳米线、铟砷纳米线、磷化铟纳米线等一维纳米材料。

Claims

1.一种纳米晶体管的制备方法，其特征在于：将纳米材料置于晶体管的源电极和漏电极之间，且纳米材料的两端分别与两电极相连，再将纳米材料和两电极构成的器件置于真空室中，并在纳米材料两端通电流，停止通电流后，对器件进行引线、封装；所述在纳米材料两端通电流时是逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。

2.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述电极是在衬底上制备，衬底包括基片和绝缘层。

3.按照权利要求2所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的基片为导电基片，是Si、GaAs掺杂的半导体性导电基片或金属。

4.按照权利要求2所述的高性能纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的金属包括Au、Ag、Cu、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni金属及其合金。

5.按照权利要求2所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的绝缘层为绝缘材料，包括SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、HfO₂、Y₂O₃、La₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、ZrO₂、LaAlO₂。

6.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的电极为金属电极。

7.按照权利要求6所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的金属电极包括Au、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni金属及它们的合金，电极的厚度为1nm-1mm。

8.按照权利要求2所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述电极的制备方法是在衬底的表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成源、漏极电极。

9.按照权利要求2所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述电极的制备方法是在衬底的绝缘层表面覆盖绝缘材料，再放置纳米材料，在纳米材料两端利用电子束光刻法制备源漏电极图形，利用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，经剥离清洗后形成电极。

10.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米材料两端悬空置于两电极上。

11.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米材料两端埋在两电极金属层之中。

12.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米材料两端直接放于两电极金属层下。

13.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述方法在室温即可进行，也可运用于低温或高温情况，其高温不能高于金属电极材料在相应真空下的熔化、蒸发或挥发温度，也不能高于纳米材料的分解温度。

14.按照权利要求1所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米材料是具有半导体性的单根一维纳米材料，包括纳米管、纳米带、纳米线。

15.按照权利要求14所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米管包括碳纳米管、硅纳米管、氧化钛纳米管。

16.按照权利要求14所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米带包括氧化锌纳米带。

17.按照权利要求14所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米线包括硅纳米线、铟砷纳米线、磷化铟纳米线。

18.按照权利要求14所述的纳米晶体管的制备方法，其特征在于：所述的纳米管包括单壁纳米管和多壁纳米管。