CN2556790Y - 碳纳米管式集成场效应管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种碳纳米管式集成场效应管；该集成场效应管是在绝缘层上制作相间的栅极和电极，将一根超长碳纳米管放置于其上；在一些栅极上通一定值恒压，使超长碳纳米管部分截止；其效果等效为若干个碳纳米管场效应管，实现了碳纳米管场效应管集成；本实用新型的结构简单、易于制作和集成。

Description

碳纳米管式集成场效应管

技术领域

本实用新型涉及一种利用一通长碳纳米管实现高密度集成场效应管。

背景技术

半导体集成电路是20世纪对人类有重大影响的发明之一。正是因为集成电路的出现，才把人类带入了“信息时代”。进入21世纪，经过了几十年的发展，半导体集成电路的工艺和技术已经趋于完善。其制作工艺如：光刻、掩模、掺杂等技术也已非常成熟。应用这些技术，集成电路就是将成千上万的晶体管等开关器件集成到一个芯片上以实现复杂的运算功能。目前，使用常规硅衬底生产的开关器件基本上被构造成使杂质扩散区、隔离区和沟道区水平连接。由多个开关器件组成的集成电路也被构造成使得每一个开关器件水平排列，以高密度集成。在现有的技术条件下，光刻的极限是10nm。金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)是一种最典型使用的精细开关器件，也就是说应用此种技术，可以将4200万个金属氧化物场效应管集成在面积为1平方厘米的芯片上。

但是，随着半导体集成电路的技术不断发展，人们对电路的集成度和速度等方面的要求也在不断提高。而在现有的技术条件下，传统的半导体集成电路的种种不足也就慢慢暴露出来。例如：受加工介质——光的波长的限制，加工精度无法进一步提高；受半导体工作原理的限制，半导体电路的运算速度很难再有所提高；随着器件尺寸的减小，其可靠性和器件的性能都有所降低等等。人们为了克服小型化常规开关器件中存在的问题，碳纳米管开关器件以其特有的优点吸引着人们的目光。

1998年“应用物理快报”(APPLIED PHYSICS LETTERS)报道了IBM研究中心的R.Martel等人(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol73，No.17，2447)用碳纳米管制作出的场效应管。这种碳纳米管场效应管在室温下有良好的电学性质，其各项性能指标完全可以和传统的半导体场效应管相媲美。场效应管是集成电路的基础元件，因此可以说碳纳米管场效应管的出现是迈向纳米逻辑电路的第一步。我们从R.Martel等人制作的碳纳米管晶体管的制作过程中可以看到，碳纳米管器件的制作中的关键问题是如何将碳纳米管准确放置到位。目前，人们一般是应用“原子力显微镜”(AFM)或者“扫描隧道显微镜”(STM)技术操控一根较短的仅适用于单器件的单根碳纳米管，将其放置到位。这种技术的缺点是效率低、效果较差。目前，这种技术还只能用来制作单个的器件，当制作由多个碳纳米管场效应管组成的器件时，这种方法就无能为力了，更不用说将其应用于大规模集成电路的制作了。

发明的内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题而提供一种在单根碳纳米管的基础之上可以实现较大规模集成度的集成场效应管。

本实用新型的目的可通过如下措施来实现：

一种碳纳米管式集成场效应管包括衬底和绝缘层，在衬底上设绝缘层；在绝缘层上相间排列栅极和电极，一超长碳纳米管与栅极和电极接触，一栅极的邻近两侧的栅极与一恒压电连接，使该通恒压的栅极控制的碳纳米管截止，而位于两个截止栅极之间的两个电极和一个栅极及碳纳米管未被截止的部分就形成独立的场效应管。其效果与由一个栅极和两个电极以及一根短碳纳米管形成的场效应管完全一致。这样用一根碳纳米管就实现了若干独立碳纳米管场效应管的集成。

所述的栅极与电极之间的距离为5nm至100μm；栅极和电极的宽度为10nm至50μm。

所述的栅极表面为绝缘层，其厚度为1nm至5nm。

所述的衬底上绝缘层的厚度为35nm至100μm。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

本实用新型利用一根超长碳纳米管放置在衬底的栅极和电极上，并将其相邻部分栅极通恒压使由其控制的碳纳米管截止而形成若干个场效应管，实现了场效应管的集成；本实用新型的集成场效应管的结构简单、效率高，且易于制作和集成。

附图说明

图1是本实用新型结构图

1-碳纳米管  2-栅极  3-电极

4-绝缘层    5-衬底

图2是本实用新型A-A剖视图；

图3是本实用新型电路图；

6-恒压源

图4是本实用新型等效电路图；

图5是本实用新型实施例结构图。

具体实施方式

实施例1：

选取(001)取向的硅作为衬底5。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在衬底5上制备300nm厚的SiO₂层4。首先制作栅极2：在SiO₂绝缘层之上均匀涂抹厚度为80nm厚的电子光刻胶(PMMA)。电子束曝光后的光刻胶经过显影、定影，去除曝光的光刻胶后，在光刻胶层上形成若干条宽30nm、相距130nm的沟槽。使用干法刻蚀法刻蚀没有光刻胶覆盖的SiO₂，在SiO₂绝缘层上形成宽30nm，深30nm的沟槽。利用电子束蒸发的方法，在整个器件表面沉积一层30nm厚的Al。将光刻胶剥离、清洗，再经过氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al₂O₃绝缘层。这样就完成了栅极2的制备。然后制备电极3：重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀涂抹一层厚度为80nm的光刻胶。光刻胶曝光后，在光刻胶层上形成若干条位置在栅极之间、距栅极50nm、方向与栅极平行、宽度为30nm的沟槽。使用干法刻蚀，在没有光刻胶的SiO₂绝缘层上刻蚀出宽30nm、深30nm的沟槽。再一次利用电子束蒸发的方法，在整个表面沉积一层厚度为30nm的金。然后将电子光刻胶剥离、清洗后既完成了电极3的制备。选择一根载流子浓度为9×10⁶cm^-1的超长单壁碳纳米管1，其长度应满足需要，用原子力显微镜将其置于整个器件之上。要求碳纳米管放置平直，方向基本与电极和栅极方向垂直，并且要与电极和栅极接触良好。对器件进行封装后，按需要连接栅极2、电极3和恒压源6。

实施例2：

选取(001)取向的硅作为衬底5。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在衬底5上制备300nm厚的SiO₂层4。首先制作栅极2：在SiO₂绝缘层之上均匀涂抹厚度为80nm厚的电子光刻胶(PMMA)。电子束曝光后的光刻胶经过显影、定影，去除曝光的光刻胶后，在光刻胶层上形成若干条宽30nm、相距200nm的沟槽。使用干法刻蚀法刻蚀没有光刻胶覆盖的SiO₂，在SiO₂绝缘层上形成宽30nm，深30nm的沟槽。利用电子束蒸发的方法，在整个器件表面沉积一层30nm厚的Al。将光刻胶剥离、清洗，再经过氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al₂O₃绝缘层。选择一根载流子浓度为9×10⁶cm^-1的超长单壁碳纳米管1，其长度应满足需要，用原子力显微镜将其置于整个器件之上。要求碳纳米管放置平直，方向基本与栅极方向垂直，并且要与栅极接触良好。碳纳米管放置到位后，分别在两个栅极的中间和外侧50nm的位置，用聚焦离子束(FIB)方法在碳纳米管之上制备三个宽度为0.1μm、高度为200nm的铂(Pt)电极3。对器件进行封装后，按需要连接栅极2、电极3和恒压源6。

下面结合碳纳米管的电学性质和本实用新型的原理图4，说明本实用新型的工作原理。

本实用新型选用导电性能为半导体性的超长单壁碳纳米管。这种半导体性的单壁碳纳米管的性质是：在常温下有较好的导电性，其电阻一般为几百个kΩ。由实验可知其载流子为空穴，导电类型为P型。其导电性能随栅压的改变而改变。在正向栅极偏压的作用下，载流子——空穴的浓度将减小。当栅压增大到一定值时，碳纳米管将处于截止状态。在绝缘层厚度为140nm的情况下，栅极电压在6V左右，碳纳米管中的空穴将被完全耗尽，碳纳米管处于截止状态。同时，我们可知：此时，若保持碳纳米管的截止状态，在碳纳米管两端所加的偏压应不大于1.5V。(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，NO.17，2447.)所以我们规定在本实用新型的电路中，1.2V为逻辑值“1”，0V为逻辑值“0”。

由以上讨论可知：在栅极绝缘层厚度为140nm时，栅极的耗尽电压为6V。我们通过下面的计算确定，栅极的耗尽电压为1.2V时，栅极绝缘层的厚度。

已知，碳纳米管与栅极之间的截断电压存在下列关系：

                 Q＝CV_CT    (1)V_G，T为截断电压，Q为载流子所带电荷，C为碳纳米管和栅极之间的电容。

Q与载流子浓度满足公式：

         Q＝peL    (2)p为载流子浓度；e为载流子所带电荷，在p型碳纳米管中载流子为空穴，所以这里e＝+1.6×10^-19库仑；L为碳纳米管与栅极接触部分的长度。

又知碳纳米管与栅极之间的电容满足公式：

       C≈2πεε₀L/ln(2h/r)    (3)h为碳纳米管与栅极之间的距离，即栅极绝缘层的厚度；r为碳纳米管半径；  ε是介电常数，在这里我们取ε＝2.5。

将公式(2)、(3)带入公式(1)中可得：

       peln(2h/r)＝2πεε₀V_G，T $h=\frac{1}{2}{\mathrm{re}}^{\left(\frac{2\mathrm{\π\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_0{V}_{G,T}}{\mathrm{pe}}\right)}---\left(4\right)$

本实用新型选择载流子浓度为9×10⁶cm^-1的P型超长单壁碳纳米管(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，vol 73，NO.17，2447.)。单壁碳纳米管半径为0.8nm，截止电压为1.2V。带入公式(4)可得：h≈3nm。即：在本实用新型中，当Al₂O₃绝缘层厚度不大于3nm的情况下，单壁碳纳米管处于截止状态。

这个结论在本实用新型中是非常重要的。在需要的栅极上通恒定电压1.2V，使超长碳纳米管部分截止，以等效为若干根碳纳米管形成的场效应管。如图3所示，按照需要将若干栅极连接1.2V恒压源。在1.2V栅极电压的作用下，部分碳纳米管被截止。于是位于截止两个栅极2之间的一个栅极2和两个电极3以及碳纳米管1未被截止的部分就可以独立工作，其结构与独立的碳纳米管场效应管完全一致。这样就形成了若干个相互独立的场效应管。其效果相当于若干短碳纳米管制作的场效应管的集成。原理如图4所示。再按照需要将栅极和电极进行连接就可以形成电路，实现复杂的功能。这样，在一根超长碳纳米管上形成了若干个场效应管，实现了场效应管的集成。栅极和电极的数量以及碳纳米管的具体长度可根据需要而确定。

Claims (4)

1、一种碳纳米管式集成场效应管，包括衬底(5)和绝缘层(4)，在衬底(5)上设绝缘层(4)；其特征在于在绝缘层(4)上间隔排列栅极(2)和电极(3)，一通长碳纳米管(1)与栅极(2)和电极(3)接触，一栅极(2)的邻近两侧栅极(2)与一恒压电连接，使该通恒压的栅极(2)控制的碳纳米管截止，由其余的栅极(2)和电极(3)及碳纳米管(1)形成集成的场效应管。

2、如权利要求1所述的碳纳米管式集成场效应管，其特征在于所述的栅极(2)与电极(3)之间的距离为5nm至100μm；栅极(2)和电极(3)的宽度为10nm至50μm。

3、如权利要求1所述的碳纳米管式集成场效应管，其特征在于所述的栅极(2)表面为绝缘层，其厚度为1nm至5nm。

4、如权利要求1所述的碳纳米管式集成场效应管，其特征在于所述的衬底(5)上的绝缘层(4)的厚度为35nm至100μm。

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