CN1755942A - N型碳纳米管场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有n型碳纳米管的场效应管(CNT FET)以及制备该n型CNT FET的方法。该n型CNT FET包括：衬底；形成衬底上并彼此分隔开的电极；形成于衬底上并电连接到电极的碳纳米管；形成于碳纳米管上的栅极氧化层；以及形成于栅极氧化层上的栅极电极，其中栅极氧化层含有电子施主原子，该电子施主原子向碳纳米管贡献电子，使得碳纳米管是由电子施主原子n掺杂的。

Description

N型碳纳米管场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有n掺杂的碳纳米管(CNT)的场效应管(FET)以及制备该n型CNT FET的方法，更特别地，本发明涉及一种通过在CNT层上吸附电子施主原子来制备的具有n掺杂的CNT的n型CNT FET以及制备该n型CNT FET的方法。
背景技术
碳纳米管(CNT)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。CNT具有优异的导电性，可以应用于电子器件。对于CNT在各种器件中的使用已经进行了大量的研究，现在它们可以应用于电场反射器件、光通信领域中的光开关、生物器件等。
制造CNT的方法在本领域中是公知的。示例包括电弧放电、脉冲激光汽化、化学气相沉积、丝网印刷、旋涂。
为了将CNT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。通常，很容易对CNT进行空穴掺杂(p型掺杂)。
美国专利申请第2003-122,133号描述了一种使用氧或钾离子作为掺杂剂来制备n型纳米管的方法。但是，难于将氧分子分解为氧原子，并且难于操作钾离子。
为了克服这些问题，美国专利第6,723,624建议了另外一种n型掺杂方法。在该方法中，使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)将氮化硅(SiNx)沉积在CNT上，然后加热，由此制备n型(电子掺杂)的CNT。
发明内容
本发明提供了一种具有n掺杂的碳纳米管的场效应管(FET)及其制备方法，该场效应管是通过在作为沟道区域的CNT层上形成含有电子施主原子的栅极氧化层来制备的。
根据本发明的一个方面，提供了一种n型CNT FET，包括：衬底；形成衬底上并彼此分隔开的电极；形成于衬底上并电连接到电极的碳纳米管；形成于碳纳米管上的栅极氧化层；以及形成于栅极氧化层上的栅极电极，其中栅极氧化层含有电子施主原子，该电子施主原子向碳纳米管贡献电子，使得碳纳米管是由电子施主原子n掺杂的。
栅极氧化层可以通过使用原子层沉积(ALD)工艺来沉积含有V族原子的氧化物或氮化物而形成。
V族原子可以是铋。
氧化物可以是铋钛硅氧化物(BTSO)。
根据本发明的另一个方面，提供了一种n型CNT FET，包括：导电衬底；形成于导电衬底上的栅极氧化层；形成栅极氧化层上并彼此分隔开的电极；以及形成于栅极氧化层上并电连接到电极的碳纳米管，其中栅极氧化层含有电子施主原子，该电子施主原子向碳纳米管贡献电子，使得碳纳米管是由电子施主原子n掺杂的。
根据本发明的又一个方面，提供了一种制备n型CNT FET的方法，包括：在衬底上形成彼此隔开的电极；在衬底上形成碳纳米管，使得碳纳米管电连接到电极；在碳纳米管上通过沉积含有电子施主原子的氧化物或氮化物形成栅极氧化层；在栅极氧化层上形成栅极电极，其中碳纳米管通过电子施主原子被n掺杂。
根据本发明的再一个方面，提供了一种制备n型CNT FET的方法，包括：在导电衬底上，通过在该衬底上沉积含有电子施主原子的氧化物或氮化物形成栅极氧化层；在栅极氧化层上形成彼此间隔开的电极；以及在栅极氧化层上形成碳纳米管，使得碳纳米管电连接到电极，其中碳纳米管通过电子施主原子被n掺杂。
附图简介
参考附图，通过对本发明示范型实施例的详细说明，本发明的上述或其他特征或优点将变得更加明显，在附图中：
图1是根据本发明实施例的n型碳纳米管场效应管(CNT FET)的横截面视图；
图2是根据本发明另一个实施例的n型CNT FET的横截面视图；
图3和图4分别是CNT FET在沉积铋钛硅氧化物(BTSO)之前和之后的I-V图；
图5A至5E是图示根据本发明实施例的制备n型CNT FET的方法的横截面视图；
图6A至6C是图示根据本发明另一个实施例的制备n型CNT FET的方法的横截面视图。
具体实施方式
下面，将参考附图，对根据本发明实施例的具有n型CNT的n型碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)以及制备n型CNT FET的方法进行详细的描述。
图1是根据本发明实施例的n型CNT FET的横截面视图。
参考图1，绝缘层11形成于衬底10上。CNT 12形成于绝缘层11上，电极13和14分别形成于CNT 12的两端。电极13和14分别作为漏极区域和源极区域，并且CNT 12作为沟道区域。
栅极氧化层15覆盖CNT 12，栅极电极16形成于栅极氧化层15上、电极13和14之间。
栅极氧化层15由氧化物或氮化物形成，并起到电子施主层的作用。栅极氧化层15含有V族原子，比如N、P、As、Sb或Bi。栅极氧化层15可以由铋钛硅氧化物(BTSO)组成，并且通过使用原子层沉积(ALD)工艺形成。当BTSO层沉积在CNT 12上时，铋将电子贡献给CNT 12，由此n掺杂CNT 12的表面。图1所图示的电子器件是顶栅极n型CNT FET。
图2是根据本发明另一个实施例的n型CNT FET的横截面视图。
参考图2，栅极氧化层21形成于导电衬底20，例如高度掺杂的硅晶片上。CNT 22形成于栅极氧化层21上，电极23和24分别形成于CNT 22两端之下。电极23和24分别作为漏极区域和源极区域，并且CNT 22作为沟道区域。导电衬底20作为栅极电极。
栅极氧化层21由氧化物或氮化物形成，并起到电子施主层的作用。栅极氧化层21含有V族原子，比如N、P、As、Sb或Bi。栅极氧化层21可以由BTSO组成，并且通过使用ALD工艺形成。当CNT 22沉积在BTSO层上时，铋将电子贡献给CNT 22，由此n掺杂CNT 22的表面。图2所图示的电子器件是底栅极n型CNT FET。
图3和图4分别是CNT FET在沉积BTSO之前和之后的I-V图。
参考图3，CNT在沉积BTSO之前是轻度p掺杂的。当电压Vds被施加于漏极电极和源极电极并且栅极偏压Vg被负方向施加时，晶体管开启。于是，CNT表现出p型特性。
参考图4，CNT在沉积BTSO之后是n掺杂的。当电压Vds被施加于漏极电极和源极电极并且栅极偏压Vg被正方向施加时，晶体管开启。于是，CNT表现出n型特性。因此，通过在CNT上沉积BSTO的CNT是n掺杂的。
图5A至5E是图示根据本发明实施例的制备n型CNT FET的方法的横截面视图。
参考图5A，在衬底30上沉积绝缘层31，例如氧化层。当衬底30是由非导电材料制成的时，可以省略绝缘层31。
参考图5B，将导电层形成于绝缘层31上，并构图来形成彼此分隔开的漏极电极33和源极电极34。
参考图5C，将CNT 32形成于绝缘层31上，使得CNT 32电连接到电极33和34。CNT 32直接生长在绝缘层31上，或使用传统方法，例如丝网印刷、旋涂等形成。该CNT 32表现出p型特性。
参考图5D，将栅极氧化层35沉积在CNT 32。栅极氧化层35可以通过使用ALD工艺在300℃沉积BTSO来形成。水蒸气可以被用作氧源。当BTSO层沉积在CNT 32上时，来自BTSO层的电子由CNT 32的表面吸附，于是CNT 32是n掺杂的。由于栅极氧化层35被用作电子施主层，所以可用简单的过程很容易地进行n掺杂。
虽然在上面的描述中栅极氧化层35是由氧化物形成的，但是栅极氧化层35的组成并不限于此。栅极氧化层35可以含有V族原子：N、P、As、Sb或Bi中的一种。
参考图5E，栅极电极36形成于栅极氧化层35上、电极33和34之间。栅极电极36可以使用构图工艺形成。
图6A至6C是图示根据本发明另一个实施例的制备n型CNT FET的方法的横截面视图。
参考图6A，栅极氧化层41形成于导电衬底40，比如高度掺杂的硅衬底上。栅极氧化层41可以通过使用ALD工艺在300℃沉积BTSO来形成。水蒸汽可以被用作氧源。
参考图6B，将导电层形成于栅极氧化层41上，并构图来形成彼此分隔开的漏极电极43和源极电极44。
考图6C，通过直接在栅极氧化层41上生长，或使用传统方法，例如丝网印刷、旋涂等，将CNT 42形成于栅极氧化层41上。来自BTSO的栅极氧化层41的电子由CNT 42的表面吸附，其具有p型特性，因此CNT 42是n掺杂的。
在根据本发明的制备n型CNT FET的方法中，CNT通过使用作为电子施主层的栅极氧化层被n掺杂。于是可用简化的工艺很容易地进行n掺杂。
此外，在根据本发明的制备n型CNT FET的方法中，传统的p掺杂的CNT可以被转换为n掺杂的CNT，于是可以被应用到包括p型器件和n型器件等的逻辑器件中。
尽管已经参考本发明的示范性实施例对其进行了具体地示出和描述，但是本发明的普通技术人员将理解，在不背离由权利要求所界定的精神和范围的情形下，可以在其中进行各种形式和细节的变化。

Claims (16)

1、一种n型碳纳米管场效应晶体管，包括：
衬底；
电极，形成于所述衬底上并彼此分隔开；
碳纳米管，形成于所述衬底上并电连接到所述电极；
栅极氧化层，形成于所述碳纳米管上；以及
栅极电极，形成于所述栅极氧化层上；
其中，所述栅极氧化层含有电子施主原子，所述电子施主原子向所述碳纳米管贡献电子，使得所述碳纳米管是由所述电子施主原子n掺杂的。
2、如权利要求1的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述栅极氧化层是通过使用原子层沉积工艺来沉积含有V族原子的氧化物或氮化物而形成的。
3、如权利要求2的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述V族原子是铋。
4、如权利要求3的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述氧化物是铋钛硅氧化物。
5、一种n型碳纳米管场效应晶体管，包括：
导电衬底；
栅极氧化层，形成于所述导电衬底上；
电极，形成所述栅极氧化层上并彼此分隔开；以及
碳纳米管，形成于所述栅极氧化层上并电连接到所述电极；
其中，所述栅极氧化层含有电子施主原子，所述电子施主原子向所述碳纳米管贡献电子，使得所述碳纳米管是由所述电子施主原子n掺杂的。
6、如权利要求5的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述栅极氧化层是通过使用原子层沉积工艺来沉积含有V族原子的氧化物或氮化物而形成的。
7、如权利要求6的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述V族原子是铋。
8、如权利要求7的n型碳纳米管场效应晶体管，其中，所述氧化物是铋钛硅氧化物。
9、一种制备n型碳纳米管场效应晶体管的方法，包括：
在衬底上形成彼此隔开的电极；
在所述衬底上形成碳纳米管，使得所述碳纳米管电连接到所述电极；
在所述碳纳米管上通过沉积含有电子施主原子的氧化物或氮化物形成栅极氧化层；
在所述栅极氧化层上形成栅极电极；
其中，所述碳纳米管通过所述电子施主原子被n掺杂。
10、如权利要求9所述的方法，其中，所述栅极氧化层是通过使用原子层沉积工艺来沉积含有V族原子的氧化物或氮化物而形成的。
11、如权利要求10所述的方法，其中，所述V族原子是铋。
12、如权利要求10所述的方法，其中，所述氧化物是铋钛硅氧化物。
13、一种制备n型碳纳米管场效应晶体管的方法，包括：
在导电衬底上，通过在所述衬底上沉积含有电子施主原子的氧化物或氮化物形成栅极氧化层；
在所述栅极氧化层上形成彼此间隔开的电极；以及
在所述栅极氧化层上形成碳纳米管，使得所述碳纳米管电连接到所述电极，
其中，所述碳纳米管通过所述电子施主原子被n掺杂。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述栅极氧化层是通过使用原子层沉积工艺来沉积含有V族原子的氧化物或氮化物而形成的。
15、如权利要求14所述的方法，其中，所述V族原子是铋。
16、如权利要求14所述的方法，其中，所述氧化物是铋钛硅氧化物。
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