TWI399864B - 使用奈米管之發光體及其製造方法 - Google Patents

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Description

使用奈米管之發光體及其製造方法 相關申請案之交互參考
本申請案按35U.S.C.§119(e)對美國暫時性專利申請案第60/610,330號要求優先權，其標題為使用奈米管之發光體與其製造方法，其係在此以引用的方式併入文中。
本發明一般係關於奈米管織物與其製造方法，更尤其關於在發光系統中所使用的碳奈米管織物與其製造方法。
光電技術已經在種種領域中被使用與研發，譬如資訊輸入/輸出技術以及使用光纖的光學通訊技術等等。雷射二極體已經被研發當作支持這些光電技術的裝置。例如，雷射二極體可被使用來讀取光碟，且它們可被使用於光學通訊。
發光二極體(LED)係為設計用於最佳電致發光的特別p－n接面，其係描述於Kwok K.NG的〝半導體裝置的完整引導〞電氣與電子工程師協會期刊(IEEE Press)，John Wiley & Sons,2002，第396－404頁。可使用主要是Ⅲ－V化合物的半導體材料，雖然一些Ⅱ－VI化合物亦可被使用。摻雜的主動薄膜一般可磊晶生長在譬如砷化鎵、磷化鎵與磷化銦的基板上。如以上NG參考資料的圖51.2所示，LED以特定的波長與相應的顏色發射於該光譜所適當定義的部分中。這些裝置通常分散，沒有與矽整合，並通常發出特定的顏色，其須要複數個LED，以得到近似白色的光(在近似白色的光令人希望之那些應用中)。
光二極體是吸收光線的p－n二極體或p－i－n二極體，其係被描述於Kwok K.NG的〝半導體裝置的完整引導〞電氣與電子工程師協會期刊，John Wiley & Sons,2002，第431－435頁。光二極體基本上在一中等的反向偏壓下操作，而反向偏壓電流則因為吸收到的光線(輻射)而迅速地增加。光二極體通常可被製造於矽基板中並完整地與種種裝置以及電路整合。光二極體的操作速度已經顯示超過30十億赫(GHz )。
就目前而言，使用於半導體工業之光電應用的發光體基本上是微米般大小，且無法被整合於單晶片中，而為分散的組件。因此，在該技藝中需要使用於半導體工業之電子應用之奈米級發光體的大型製造方法，該些奈米級發光體可被整合於單晶片之CMOS或類似製程流，以製造積體電路。自然地，此些元件的使用會擴及於大部分的消費性電子型態，在此在積體元件中的發光是有利的。
Misewich等人已經報告從單壁奈米管(SWNT)發出的紅外線(見〝來自碳奈米管場效電晶體的電感應光放射〞，科學200(2003)783－786)。IBM研發團隊檢測出具有波長1.5微米的光線，其係因為是被廣泛使用於光學通訊中的波長而特別有用。具有不同直徑的奈米管會產生具有在其它應用中所使用波長的光線。調查者報告所研究之結構中發光用的機制係為電子電洞再組合。
Wei等人報告作為熾熱光源之碳奈米管的用途，其係藉由黑體輻射並在較高溫，或者藉由譬如電子/電洞再組合的一些其它機制來操作。(見〝家居燈泡中的碳奈米管細絲〞應用物理快報84(2004)4869-4871)
本發明提供使用奈米管之發光體及其製造方法。
在本發明一態樣下，一發光體包括與第一接點以及第二接點電性連接的一奈米管物件，該奈米管物件包含一纏繞的奈米管織物且具有第一熱傳導率，一具有第二熱傳導率之預定區域的基板，該預定區域與該奈米管物件呈預定實質關係(predefined physical relation)，該第二熱傳導率實質上小於該第一熱傳導率；以及一與第一以及第二接點電性連接的刺激電路。該刺激電路提供電性刺激，其係足以感應從鄰近預定區域之奈米管物件所發出的光線。
在本發明另一態樣下，該預定區域係為一形成於基板中的通道，或者具有相對低之熱傳導率的材料區域。
在本發明另一態樣下，發光體可與包括CMOS電路的半導體電路整合。
在本發明另一態樣下，發光體可被整合入光學驅動電路(晶片上與晶片外驅動器)以及光電絕緣器。
本發明人已經觀察到在惰性氣體環境中，懸置在間隙上(例如，90－180nm)的碳奈米管織物可耐受加熱到極高溫，大於600℃。當適度電流通過這些懸置結構時，可從這些裝置觀察到發光，其係指示出足夠高的局部溫度致使輻射熱能耗損。
懸置之單壁與多壁碳奈米管當電流通過時會從懸置在間隙上的區域發光。當支持物是由導熱材料製成時，會僅僅在奈米管懸置區域而非在接觸支持物的奈米管區域中產生發光。
這些奈米管發光體具有許多無法以現存技術得到的重要與獨特的特徵。首先，這些碳奈米管發光體的超大型積體電路陣列可以所使用微影節點之最小尺寸的圖案化技術來形成，亦即，十億尺寸的奈米管發光體陣列可以180nm或更小關鍵特徵尺寸來製造。此些方法可更完整地被說明於合併的參考案中，例如美國專利申請案第6,574,130、6,643,165、6,706,402、6,784,028、6,911,682、6,919,592與6,924,538號；以及美國專利申請案第10/341,005、10/341,055、10/341,054、10/341,130與10/776,059號。其次，基於奈米織物之發光元件可直接配合所使用之微影(lithographic)基準來縮小，亦即可製造180nm、130nm、90nm及65nm尺寸之發光體。第三，這些發光體陣列的單晶片CMOS整合可使用如合併參考案所描述之自封裝電子機械切換腔室的製造與整合來完成。使電流通過這些奈米尺寸腔室中之以懸置奈米管為基礎的織物將會引起發光。第四，在這些嵌入陣列中的發光可藉由電晶體被個別控制(開啟/關閉)。這是首次證實，製造技術可以少到每一電晶體/記憶體單元配合一發光體的程度來整合。
本發明較佳實施例允許以最小尺寸每一電晶體一發光點的程度來整合在一已知的微影節點上。超大型積體電路陣列的單晶片整合會變得有可能，然而先前僅有分散的元件可被使用做發光體。因為發光體可被整合以形成超大型積體電路陣列，從而致使與每一電晶體之一發光體光學互連，故超密集顯示器的製造則是可能的。
圖1A顯示根據本發明較佳實施例原理構成的示範性發光元件100。發光元件100包括一奈米管帶子102、一奈米管織物懸置區域106、一間隙區域110、一包含一或多個支撐物104、電極122與驅動電路130的氮化物層108。
某些實施例的奈米管帶子102是由糾結或纏繞之奈米管的非織造之織物所形成(後文詳述)。
支撐物104可自氮化物層108被圖案化。層108可以是任何適當材料，氮化物則僅僅是一非限制性的實例。
在較佳實施例中，在第二基板材料112上，發光元件具有覆在間隙110上的奈米織物懸置區域106。奈米織物的每一懸置區域106界定出發光元件100的發光區域。
自發光元件102發光係藉由驅動電路130所控制。適當與必要的電壓係說明如下。
圖1B顯示發光元件100的陣列120。
在陣列120中，電極122是藉由奈米管軌道112所連接。圖1A說明一懸置奈米織物區域106陣列，每一陣列均能夠充當一發光元件100。
懸置的SWNT裝置可藉由將奈米管旋塗上矽晶圓並圖案化成垂直交叉90nm至180nm寬犧牲層的軌道。圖案化係使用微影與電漿蝕刻來完成。接著，SWNT軌道使用金屬電極來互連。這些金屬電極則以距懸置間隙~60nm的距離來放置。在合併參考案中，此製造情形的說明會更完整。
電流可通過這些懸置的SWNTs，而且這些懸置光束的局部加熱可被利用在需要將該些裝置局部、奈米尺寸加熱的應用。雖然發光已經被顯示出與奈米管傳導電流的溫度有關，但是本發明人卻預期該些發光元件與溫度變化有關。
理論上，是可能設計可局部在這些懸置SWNT結構中得到的溫度與其加熱與冷卻時間。吾人發現，數百絕對溫度(°K)溫度變化可藉由使非常小電(<100 μ A)流通過這些懸置結構所引起。重要的是，亦要注意到這些溫度變化發生於非常短、甚至次皮秒(sub－picosecond)的時標上。
本分析利用以下假設：SWNT熱電阻與電容以主體(bulk)的方式隨著SWNT幾何結構變化；SWNT電阻沒有隨著SWNT幾何結構(長度，截面)而變化；SWNT接點與大散熱片成良好的熱接觸；而且經由周圍媒介的導熱則可被忽略(隔熱假設)。
再者，此分析忽略以下當作第一階(first order)近似的效果：材料特性的溫度變化(SWNT電性與熱性參數)；輻射與對流熱傳遞；以及固定電阻假設以外的所有量子效應。在隔熱、懸置光束中的穩定狀態溫度分佈可藉由解決在光束體積中的包桑方程式來決定 ，在此係為體積熱能輸入功率密度，且κ係為熱傳導率。假定該光束的截面均勻性允許該方程式以一維解答。就管長度L與固定電源項而言，界限情況T(0)＝T(L)＝T0 則沿著光束長度產生一拋物線穩定狀態的溫度分佈：T(x)＝T0 ＋(P/κ A)x－P/(κ AL)x2 在此，P＝I2 R＝V2 /R係為總熱功率輸入。最大溫度的上升則發生於該光束的中心點：△TM ＝T(L/2)－T0 ＝PL/4 κ A應用以下的參數：□電阻R＝100 κ歐姆□熱傳導率κ＝6600W/m°K(見Popov,Valentin,〝碳奈米管：特性與應用〞Mat Sci Eng R43：3(2004),61－102)□管外徑r＝0.70nm【(10,10)SWNT】□管壁厚度t＝0.34nm1 (石墨層間隔；SWNT壁厚度的接受值)□管的截面面積A＝π【r2 －(r－t)2 】＝1.13×10－ 1 8 m2 比熱Cv＝650J/kg°K1,3(見以上Popov與Hone等人.,〝單壁碳奈米管的量子聲子譜〞科學289,1720(2000))□質塊密度ρm ＝3500kg/m3 【鑽石】(這是鑽石塊的質塊密度，其係應近乎單層石墨薄膜的密度。這代表在碳同素異形体之間最糟情況的熱時間常數，其係足以粗略估計過度特性。)
我們可以進行以下估計：△TM ＝I2 L．3.352×101 8 K/m－A2
表1顯示一些懸置奈米管長L的部分溫度上升：
在材料特性與放射冷卻中的熱變化將很可能造成在極端溫度下自此簡單模型的明顯變化。不過，明顯的溫度上升則僅僅受到適度電流的影響。同樣要注意的是，SWNTs的電阻將隨著溫度而增加(隨著溫度增加，每一度所增加近乎1000ppm的電阻溫度係數)。尤其在高溫，此效果將非常佔優勢，其係並且可被分解成奈米管發射物設計。
為了得到懸置SWNT之熱切換速度的粗略理解，可估計在該管中心點與兩接觸點之間的熱電阻與電容。由於適當地加熱一織物，所以它會隨著該織物溫度增加而發光與停止發光。
使用以上參數並考慮兩相等的平行電阻與電容的計算如下：RT ＝(1/2)．(L/2)．134×101 2 °K/W－m＝L．33．5×101 2 °K/W－m CT ＝2．(L/2)．2.57×10－ 1 2 J/°K－m CT ＝L．2.57×10－ 1 2 J/°K－m τT ＝RT CT ＝L2 ．86.1s/m2
表2顯示奈米管長度L如何對應熱切換速度τT 。
雖然更精細的計算將考慮到取決於時間之熱流方程式的完整解答，但是此簡短的估計則顯示出我們可從懸置的SWNT發光元件期待引人注目快速、披秒的熱切換時間。同樣重要地，大溫度變化可藉通過懸置SWNTs的小電流(<100 μ A)來感應。
製造適合本發明某些實施例之懸置奈米織物的方法係揭露於合併專利參考案中，包括美國專利申請案號6,706,402與美國專利申請案號10/776059與10/776572以及WO01/03208。由奈米管纏結層或奈米管非織造織物製成的奈米織物帶子或切片或帶子可被當作發光的傳導元件。在此發明之點上，該帶狀物被視為軌道或發光或傳導物件。在一些實例中，帶狀物係被懸置，且在其它實例中，它們會被懸置在一基板上。
在本發明的某些實施例下，傳導物件是由奈米管織物、層或薄膜製成。管直徑小到1nm的碳奈米管係為能夠攜帶極高電流密度的導電體，例如見Z.Yao,C.L.Kane,C.Dekker,Phys.Rev.Lett.84,2941(2000)。它們同樣地具有最高知名度的熱傳導率，例如見S.Berber Y.－K.Kwon,D.Tomanek,Phys,Rev.Lett.84,4613(2000)，其係並且有穩定的熱性與化性，例如見P.M.Ajayan,T.W.Ebbesen,Rep.Prog.Phys.60,1025(1997)。不過，因為以適當控制的定向、長度與類似物來生長它們有其困難，所以使用個別奈米管來發光是有問題的。從奈米管織物產生軌道會允許軌道保留許多個別奈米管的好處，既使不是全部。更者，從奈米管織物製成的軌道具有沒有在個別奈米管中被發現的好處。例如，因為該些軌道是由聚集的許多奈米管組成，所以該軌道將不會由於個別奈米管的失效或破裂而失效。取而代之地，在一已知軌道內會有可讓電子可通過的許多替代路徑。實際上，由奈米管織物製成的軌道會在其定義的軌道內產生其自身的個別奈米管電性網路，全部均可傳導電子。更者，藉由使用奈米管織物、層或薄膜，電流技術可被使用來產生此些軌道。
因為以新奈米管為基礎之發光元件的生產情形類似描述於合併文件中之以懸置奈米管為基礎的記憶體元件，所以此架構的現有描述是簡短的。現在參考美國專利申請案第6,706,402號與美國專利申請案第10/341,005,10/341,055,10/341,054,10/341,130號以及WO01/03208，以當作更完整的說明與背景。
圖2說明根據本發明一態樣所設計的大型發光體200。大型發光體200具有一多孔基板202、一奈米管織物204與電極206。
多孔基板202可以是任何適當的多孔材料，其係包括但不限於紙張，包括過濾紙。
奈米管織物204係配置在基板上，其係並且藉由如合併參考案中所描述的懸塗、圖案化與微影蝕刻來產生。
電極206係被配置在發射物織物上，以致於電流可通過電極206之間的織物。
此大型發射物利用基板202的多孔特性，其中光線可 從置於基板之孔洞上的懸置奈米管織物區域發射。該些孔洞不需要均勻地分佈，而且譬如過濾紙的材料則可被當作多孔基板。此些發光體的應用包括用來手提式個人資料助理(PDAs)的逆光顯示器、需要此逆光的遊戲或任何其它電子裝置。
發光元件的製造類似那些完整說明於美國專利案第6,706,402號與美國專利申請案第10/341,005,10/341,055,10/341,054與10/341,130號的製造技術，其係在此以引用的方式併入本文。
圖5係為示範性奈米管織物312的原子力顯微鏡(AFM)影像。在此圖中，每一奈米管的直徑大約是1.5nm。(該影像會由於顯微鏡的固有限制，而不是由於已知奈米管的真實特徵而模糊不清。)本影像是呈AFM的水平解析限制。
雖然上述大部分揭露之撰寫猶如該織物是由相同型態的奈米管組成一樣，例如全為單壁，但是該織物卻可由全部多壁結構或者單壁與多壁結構之組合所組成。
以奈米管為基礎之發光元件的上述實施例使用由奈米管層312製成的軌道或導電物件，譬如那些顯示於圖2與3者。該些層的厚度大約是1nm或更小，亦即已知奈米管的厚度。奈米管墊蓆312生長或沈積在譬如矽晶圓的一表面上，以形成一已知密度的連續薄膜。被圖案化成分散發光元件的相同兩尺寸薄膜亦可被圖案化，以產生寬度範圍從1nm(奈米管的固有最小尺寸)至數百微米或更大的傳導性 互連軌道，其係取決於該申請案與上下文，以及被描述於合併參考案中的其它電子元件，其係包括但不限於：電晶體、三極管與記憶體元件。1nm的最小尺寸對應曾經被圖案化、具有單一奈米管留在物件中的薄膜。更典型地，尺寸大小的降低係為微影技術限制的結果，而非本身存在於本發明較佳實施例的任何限制。
發光元件可如上述地被懸置，或者它們可覆在熱特性較少傳導性的材料表面上。此些材料包括但不限於：絕緣體以及熱導彈性體。
奈米管會加熱到它們開始灼熱之點，並當它們在空氣/氣體中被懸置在一間隙上時發光，但是奈米管織物卻可在當將該織物配置在基板上時(以任何定向，但非僅僅如圖式所指出的水平)被當作一發光元件。此些以非水平定向奈米管為基礎的織物製造情形會更完整地描述於以引用方式併入文中的美國專利案第6,924,538號，且為了簡化起見，該些製造情形在此將不重複。
該基板的熱傳導性在奈米織物的發射特性中扮演著重要角色。
其上所配置之發光奈米管元件的示範性基板包括但不限於表1中所列出的項目，表1列出室溫下(300°K)的材料與以W/cm-°K為單位的熱傳導性。
．絕緣體
。氮化矽.3
。氧化矽.014
。碳化矽1.2。矽1.4。環氧.002。導熱性環氧.008。玻璃.008。散熱片化合物(負載有金屬氧化物的油脂).004。雲母.007。密拉.002。酚醛樹脂.002。矽油脂.002。矽橡膠.002。鐵氟龍.002。FR－4或G－10PC面板材料.003。。。。。
．導熱彈性體。Bergquist矽墊.009。Tecknit Consil－R 350.00433至.00732。Saracon 2.9e－3卡/公分－秒－°K。Chomerics XTS－274充填氧化鋁的彈性體.002卡/秒公分°K
發光奈米織物可被當作光隔離器。在將輸入與輸出隔絕之繼電器型態的應用中，此一光隔離器是有用的。圖7A顯示一先前技術發光二極體與光二極體。發光二極體電性輸入電極702與704會啟動發光二極體712的電性輸入700，以發送一電流經過發光二極體712，且發光二極體712會產生一光學(輻射)輸出信號714。發光二極體光學輸出信號714照射在光偵測器710上，而且光偵測器710會產生輸出716以當作輸出電極706與708之間的電壓。
圖7B顯示根據本發明一態樣的光隔離器。奈米織物電性輸入電極702’與704’會啟動奈米織物發光元件712’的電性輸入700，以發送一電流經過奈米織物發光元件712’。具有電阻R(R係為一溫度函數，其係並且隨高溫而增加)的奈米織物發光元件712’會從電流I接收電功率I2 R，其係並且被加熱到光學(輻射)輸出點。就加熱電阻產生的發光而言，奈米織物發光元件712’的加熱效率是藉由將從薄膜至當作散熱片之鄰近區域的熱傳導降低所提高。藉由降低熱傳導的實例，奈米織物發光元件712’係為在以下進一步所示之間隙(空隙)區域中的那部分奈米織物元件。或者，奈米織物發光元件712’係為由低熱傳導率層所支持(實質接觸)的那部分奈米織物元件，譬如具有熱傳導率0.004W/cm-°K的聚亞醯胺與具有熱傳導率0.003W/cm-°K的環氧玻璃，以及其它低熱傳導材料，如表3所示。光輸出光譜包含在該光譜的紅外線、可見光以及(在一些高溫實施例中)紫外線區域的波長。電流I可被調整來控制到奈米織物發光元件712’的輸入功率I2 R，以發射在該光譜之紅外線、可見光或紫外線區域中的更多(或更少)光學(輻射)能量，以當作光學(輻射)偵測器必要條件的函數，其係進一步如以下所述。在圖7B所示的光學絕緣體應用中，奈米織物發光元件712’光學(輻射)輸出714’照射在光偵測器710’的表面上。光偵測器實例係為如在電氣和電子工程師協會期刊John Wiley & Sons,2002,第435與426頁Kwok K.Ng,〝到半導體裝置的完整引導〞中所討論的p－n光二極體，以及如在Ng參考第431－434頁中所討論之顯示超過30千兆赫p－i－n光二極體操作頻率的p－i－n光二極體。可使用光偵測器(光二極體)710’來產生輸出信號電壓716’於輸出端706’與708’上，其係類似先前技術系統，不過，卻可使奈米織物的大小更小於現由的發光二極體並與矽技術整合。電極702’與704’控制經由輸入端700’的電流，而電極806’與808’則提供經由輸出716’的輸出電壓。
圖8A顯示包含各自連接到一導體對(傳導軌道對)的六個單一奈米管織物發光物的基板800。基板810包含具有500nm厚氧化物絕緣層的矽基板。大約130 μ m乘以3至5 μ m的溝渠係在氧化物層中被蝕刻以形成(定義)奈米管織物元件的熱絕緣發光區域(深度並不具關鍵性)。該些溝渠係暫時地充填以PMA(電子光束光阻)，單壁碳奈米管織物層則被沈積在表面上，並使用硬式光阻遮罩來圖案化，該奈米管織物層則會被蝕刻，且光阻會被移除。導體對815與815’、820與820’、830與830’、835與835’、以及840與840’會被沈積在圖案化奈米管織物層上，並如圖8A所示地被圖案化。接觸圖案化奈米管織物的導體對係使用1－3 μ m厚的鎳以及大約100nm厚的鈀來形成。溝渠區域是藉由移除(蝕刻)溝渠中的壓克力抗蝕劑而形成在導體對間之間隙區域中的奈米管層下，從而完成奈米管發射物區域。奈米管發射物區域大約是130nm長以及3至5 μ m寬。使一電流流動於導體對之間，並將該發射物區域加熱與發光。例如，大約5伏特的直流電壓可被施加到接觸奈米管織物元件850之導體對815與815’端點之間，而大約200微安培(μ A)的電流則引起自奈米管發射物855的發射，其係具有如圖8B所示的典型奈米管發射光譜860。光偵測(測量)設備(未顯示)包括一機械性XY表、一衍射柵格、數個透鏡以及一具有表面照明反向顯微鏡(Nikon Diaphot－TMD)的增強ICCD(普林斯頓儀器－耦合到Gen IV增強器的訊框轉換Pentamax512×512×2像素陣列)。射出光子輸出功率係被估計為每一mW輸入功率的1.3pW光子能量。應該注意的是，奈米管發射物結構不被設計用於最理想的功率輸出。以下將有更進一步的詳述。
圖8B顯示在從500nm到超過850nm之廣範圍輸出波長上的奈米管發射光譜860。特別的輸出區域865是在該光譜的可見光範圍裡。因為光學測量設備不偵測此部分的光譜，所以區域870不顯示任何的光譜輸出。光譜輸出區域875是在該光譜靠近紅外線的區域裡。光譜輸出區域880顯示超過大約825 μ m之波長區域輸出發光的快速減少。此下降係為在紅外線區域中光學測量設備之波長限制的函數。在無需顯示此突然下降的情形下，奈米管發射物被希望發出光子於該光譜的紅外線區域中。設計用於紅外線測量的光學測量設備是可買到的。
圖8A顯示六個奈米管發射物列，且圖8B顯示這些發射物之其中之一的光譜輸出。不過，超過一個發射物可被同時啟動；全部發射物則可同時啟動。該發射物可使用一直流或脈衝源來啟動。整個晶圓可填充以奈米管發射物，而且部分或全部的發射物則可被啟動以產生一光源。因為發射物光譜的寬廣特性，所以該光源可以是一白或近白光源。就許多應用而言，近白光源是令人希望的。因為近白光源之產生需要使用數種平行啟動之不同波長的發光二極體，故奈米管發射物近白光源可提供優於發光二極體的優點。發光二極體基本上是使用種種化合物半導體材料(譬如砷化鎵、砷化鎵鋁、磷化砷鎵等等)來形成的分散裝置，其係並且不會與矽技術充分整合，然而奈米管發射物卻與矽或者實際上任何其它基板材料充分地整合。同樣地，奈米管發射物亦發射於該光譜的紅外線部分中。因為只有比1.1至1.2eV還長的波長可傳播經過矽基板材料，所以紅外線光源則可從晶圓背面得到。可將該基板材料改變，以容納種種波長過濾特徵。
奈米管發射物與矽充分整合。能夠偵測奈米管發射物光學光譜的光二極體偵測器亦可同樣地與矽充分整合。圖9顯示一奈米管發射與光二極體偵測整合結構900，其係具有一與p－n光二極體914、與空乏區912整合的奈米管發射源908。終端901與902電性接觸奈米管元件907，其係並且被使用來供應電流經由奈米管元件907而到腔室906中的奈米管發射物區域908。在圖8A中，終端901與902對應終端815與815’，奈米管元件907則對應奈米管元件850，且發射物908對應發射物855，其係同樣地顯示於圖8A中。光二極體偵測物914被放置於基板916中，其係對應圖8A中的矽基板810。光二極體偵測物914輸出電壓出現於由與圖8B所示光譜發射860對應之奈米管光譜發射910所啟動的光二極體輸出端903與904之間。
奈米管發射與光二極體偵測整合結構900可被用來形成一碳奈米管光隔離器，如圖7B所示。終端901、902、903與904在功能上分別對應終端702’、704’、706’與708’。間隙906係顯示出圍繞奈米織物907的發光區域908，其係並且對應圖7B中的奈米管發射區域712’。圖9中的光二極體偵測器914對應圖7B中的光二極體偵測器710’。使用此積體奈米管發光與光二極體偵測整合結構900的優點在於譬如奈米管發射物與光二極體偵測器的積體系統元件能被輕易地對準(堆疊)，奈米管驅動器與光二極體偵測器電路以及其它電路亦可被完整地整合，其係造成降低的製造(生產成本)、較佳的可靠性與較高的密度(適合更小空間的組件等等)。
圖10顯示碳奈米管輻射發射晶片上整合光學驅動器與接收器，其係藉由發送信號經過多孔奈米管織物以驅動矽層中的電路來操作。發光體1000具有一發光區域1010，其係覆在多孔引線層1012上，並藉由輻射信號1018驅動經過引線層1012而到晶片區域1016。這是使用從奈米織物發射之光線以從一部份晶片驅動到另一部份的代表。
圖11顯示晶片間光學驅動器1100。該驅動器1100顯 示出發送一信號，以驅動在第二晶片1102上的p-n光二極體積體裝置914；該信號則經過多孔層奈米織物1104。此系統利用奈米織物的多孔特性以及氧化矽基板的光傳送特性。
圖12顯示被發射的光線1204，其係以從第一晶片1202的發射區域1210發送到第二晶片1200之光二極體區域1214的信號來發送。此積體系統的優點是雖然它在矽與氧化矽中作用，但是該信號卻能夠當被使用時通過多孔奈米織物元件，且此些裝置可以現有技術與當代製造設施來製造。選擇性的光學反應器1206顯示出能聚集發射出的光線。終端1220、1222、1224與1226在功能上分別類似終端901、902、903與904。一般熟諳該技藝者將理解到諸透鏡(未顯示)的使用可被使用來進一步聚集發射出的光線。奈米管發射器1204將一信號從晶片1202發送到晶片1200的p-n光二極體積體裝置。該信號係由反射器1206所聚集。在此實例中，奈米管發射光線1204係被傳送經過矽基板1218背面。具有能量在波長比大約1.2μm還長之紅外線區域的奈米管發射光線1204，其係可傳播經過矽，並照射在光二極體偵測器1214上。
實例1
在此實例中，產生了發光、懸置奈米織物物件的可位址陣列。該裝配會被分成三個主要部分：電性控制裝配，晶片座；以及光學偵測裝配。
電性控制裝配包含以國家儀器PCI－16XE－MIO－10多目的DAQ卡為基礎、具有BNC－2110介面卡的資料取得系統。DAQ卡介面係使用國家儀器Measurement Studio(版本1.0)以及具有微軟Visual Basic的Nidaq7.01(版本6.0)來寫入。電性輸出(DAC0)經過Keithley485微量電流計以便測量經過奈米管的電流。
電性連接經過與設計用來固持該28接腳晶片之簡單座(晶片座)互連的介面。該晶片具有氬氣流動於接合區域上方(由經過該座下之黃管所顯示)。
光學偵測裝配是由使用40X(管長160mm,.95NA,空氣)物鏡的反向顯微鏡(Nikon Diaphot－TMD)所組成。在前光學接口放置著一增強的ICCD Pentamax(連接到Gen IV增強器的512×512×2像素Pentamax 512×512×2像素陣列，高速訊框轉換)照相機。為了看晶片，光纖光源以使用寬場照明結構的表面照明方式連接入該裝配內。電壓則從－10定標到＋10VDC，以獲得電流－電壓曲線。隨後以所示的全部接合面來照活性晶片區域，這包含開啟一具有光纖的住家建築表面照明光源，而光子數則會由於攝影機的高靈敏性而大大地減少。
圖13A顯示以－10VDC的發光1300(結合區域影像與發光)。圖13B顯示在5分鐘以後發光。
發光體可使用以懸置或非懸置奈米管為基礎的織物合併適當基板來構成。研發此種包含由多餘傳導奈米管所組成之奈米管織物的水平與垂直配置織物與裝置製造技術，其係可經由化學蒸汽沈積，或者藉在此所描述以及美國專利案第6,574,130、6,643,165、6,706,402、6,784,028、6,835,591、6,911,682、6,919,592與6,924,538；以及美國專利申請案第10/341,005、10/341,055、10/341,054、10/341,130與10/776,059號所描述的室溫操作來產生，其內容在此以引用的方式併入文中。發光物件可從使用以製造包括互連件、邏輯或記憶體或簡單場效電晶體之其它電子元件的相同織物層所構成。此些發射物可以是包含信號傳送或者使用於顯示器中的部分架構。
在某些實施例下，奈米管帶102可以藉由摩擦力被適當地固持在支撐物上。在其它實施例中，該帶子可藉由其它方式來固持，譬如藉由使用種種技術的任一技術將帶子繫到支撐物。此摩擦力可經由化學互動的使用來增加，包括經由使用碳化合物的共價鍵合，譬如芘或其它化學反應物種類。亦可添加譬如金屬、半導體或絕緣體的蒸發或旋塗材料，尤其是矽、鈦、氧化矽或聚亞醯胺，以增加釘扎能力。奈米管帶或個別奈米管亦可經由使用的晶圓接合而釘扎到表面。(見R.J.Chen等人的〝單壁碳奈米管的非共價側壁功能化以用於固定蛋白質〞J.Am.Chem.Soc.,123,2001,3838－39與Dai等人的應用物理文件77,2000,3015－17，以用於藉由金屬來釘扎與塗層奈米管的示範技術。)(在技術方面，亦可見WO01/03208)。例如，假使在產生織物以後施加電極材料的話，那麼帶子102則藉由當作電極122的材料而被適當地固持。
以奈米織物為基礎的發光體並不一定被描述為奈米織物的單一懸置區域；大面積的奈米織物可被視為一發光體，或者發出許多光點的一發光體集合，其係被肉眼視為一個。此一裝置可藉由施加一織物到多孔基板上來製造。供應一多孔基板，並將一奈米管織物施加到基板表面。當該織物被施加時，電極已經處於適當位置，或者它們可在織物產生以後與該奈米織物接觸。只要有足夠的電流能夠通過該織物，使得光線從該織物上之許多點發射的話，該些電極的精確放置情形與幾何結構將不會改變發光薄層的操作。此一大規模的發光可被說明如上，亦即，假如將該基板熱傳導的話，那麼光線則將從覆於孔洞上的奈米織物部分被發射，亦即，光線將從織物的懸置部分被發射。假如該基板之熱傳導率足夠低的話，那麼奈米織物的懸置與非懸置區域將會發光。電極的示範性放置情形係顯示於圖2。
為了製造某些實施例的奈米管帶102，其係由纏住或纏結奈米管的非織造織物所形成(以下更多)。不像依賴個別奈米管之直接生長或化學自行組裝的先前技術，本發明的較佳實施例利用包含薄膜的製造技術以及在許多情形中的微影。本製造方法適合產生於大表面上，尤其是至少六英吋的晶圓。(相對之下，生長個別奈米管於超過次毫米距離的一距離上目前是不可行的。)藉由提供包含具有帶子之傳導路徑的冗餘，該些帶子應該展現改善的容錯能力於個別奈米管上。(假如一個別奈米管破裂的話，帶子內的其它管會提供傳導路徑，而假如使用單一奈米管的話，該單胞將是有缺陷的。)更者，因為該些帶子可被製成具有比個別奈米管更大的截面面積，所以該些帶子的電阻應該明顯低於個別奈米管，從而降低阻抗。該帶子的發光參數類似個別奈米管的發光參數。因此，該帶子所預料的發光情形應該近似個別奈米管的添加值。
如上述，第二基板材料112可具有與支撐物104相同的材料，不過，在此以及在合併參考案中所描述的製造技術常常需要支撐物104是與第二基板材料112所不同的材料，以致於在第二基板材料112上，支撐物104的材料可不同地被蝕刻。本發明人想像基板材料的等向性蝕刻，其係能被充分地控制，以致於就製造均勻與可預測尺寸的間隙而言，不一定需要不同的材料。
在一較佳實施例下，奈米管物件被製成具有單壁碳奈米管。就電阻性發射而言，可使用金屬與半導體種類。就電子－電洞之重組而言，可使用半導奈米管種類。典型奈米管織物物件的寬度從50nm到數微米。就懸置一奈米管物件的實施例而言，典型的懸置長度從50nm到1微米。
在一實施例下，所施加的電壓大約5V，而且100 μ A至500 μ A的電流則會流經該奈米管物件(亦即，發光體)。不過，真實的最小電流係取決於該織物之設計。
由於該織物的特徵，諸實施例應該能夠從電子－電洞重組發射黑體輻射與輻射兩者，雖然有某些實施例根本上是電阻性發射物。由於該織物的適當設計與修改，該發射物可達到電子－電洞重組發射。
如上述，通道位置會影響從奈米管物件上的光線發射。因此，從工程觀點而言，關於發射光線之處會有更多的控制，亦即，不一定從奈米管中央，反而是該通道或其它熱工程存在之處。
如上述，光強度係為使用以刺激發射物的電流函數。因此，該強度可藉由驅動電路來改變，例如130，或者藉由物理設計選擇，例如改變奈米管元件的尺寸以改變其阻抗。
該驅動電路型態將是應用從屬物。該電路必須確保有足夠的電流被提供，以感應該內文所需要之強度與持續時間的發光。
以下的專利參考案適用於產生奈米管織物物件與切換的種種技術，其係並且被讓渡給本申請案的受讓人。所有在此皆以引用的方式併入文中：美國專利申請案第10/341,005號，2003年1月13日提出申請，標題為製造碳奈米管薄膜、層、織物、帶子、元件與物件的方法；美國專利申請案第09/915,093號，現在是美國專利申請案第6,919,592號，2001年7月25日提出申請，標題為使用奈米管帶子的電機記憶體陣列與其製造方法；美國專利申請案第10/033,032號，現在是美國專利申請案第6,784,028號，2001年12月28日提出申請，標題為製造電機三軌道接合裝置的方法；美國專利申請案第10/033,323號，現在是美國專利申請案第6,911,682號，2001年12月28日提出申請，標題為電機三軌道接合裝置；美國專利申請案第10/128,117號，現在是美國專利申請案第6,835,591號，2002年4月23日提出申請，標題為奈米管薄膜與物件的方法；美國專利申請案第10/341,055號，2003年1月13日提出申請，標題為使用薄金屬層來製造碳奈米管薄膜、層、織物、帶子、元件與物件的方法；美國專利申請案第10/341,054號，2003年1月13日提出申請，標題為使用預先形成奈米管來製造碳奈米管薄膜、層、織物、帶子、元件與物件的方法；美國專利申請案序號第10/341,130號，2003年1月13日提出申請，標題為碳奈米管薄膜、層、織物、帶子、元件與物件；美國專利申請案第10/776,059號，2004年2月11日提出申請，標題為具有水平配置奈米織物物件的裝置與其製造方法；以及美國專利申請案第10/776,572號，現在是美國專利申請案第6,924,538號，2004年2月11日提出申請，標題為具有垂直配置奈米織物物件的裝置與其製造方法。
本發明可以其它特定形式來實施而不背離其精神或實質特徵。因此，本實施例在諸態樣中可被視為說明性而不是限制性，本發明範圍是藉由附加申請專利範圍而不是上述說明來指出，在申請專利範圍等同物之意義與範圍內的全部變化因此被預期包含於其中。
100．．．示範性發光元件
102．．．奈米管帶子
104．．．支撐物
106．．．懸置區域
108．．．氮化物層
110．．．間隙區域
112．．．第二基板材料
120．．．陣列
122．．．電極
130．．．驅動電路
200．．．大型發光體
202．．．多孔基板
204．．．奈米管織物
206．．．電極
312．．．示範性奈米管織物
700．．．電性輸入
702．．．發光二極體電性輸入電極
704．．．發光二極體電性輸入電極
706．．．輸出電極
708．．．輸出電極
710．．．光偵測器
712．．．發光二極體
714．．．光學輸出信號
716．．．輸出
700’．．．電性輸入
702’．．．奈米織物電性輸入電極
704’．．．奈米織物電性輸入電極
706’．．．輸出端
708’．．．輸出端
710’．．．光偵測器
712’．．．奈米織物發光元件
714’．．．光學輸出
716’．．．輸出信號電壓
800．．．基板
806’．．．電極
808’．．．電極
810．．．矽基板
815、815’、820 820’、825、825’ 830、830’、835 835’、840、840’．．．導體對
850．．．奈米管織物元件
855．．．奈米管發光體
860．．．奈米管發射光譜
865．．．光譜輸出區域
870．．．區域
875．．．光譜輸出區域
880．．．光譜輸出區域
900．．．奈米管發射與光電二極體偵測整合結構
901．．．終端
902．．．終端
903．．．光電二極體輸出端
904．．．光電二極體輸出端
906．．．間隙
907．．．奈米管元件
908．．．奈米管發光光源
910．．．奈米管光譜發射
912．．．空乏區
914．．．光電二極體偵測器
916．．．基板
1000．．．發光體
1010．．．發光區域
1012．．．引線層
1016．．．晶片區域
1018．．．放射信號
1100．．．晶片間光學驅動器
1102．．．第二晶片
1104．．．奈米織物
1200．．．第二晶片
1202．．．第一晶片
1204．．．發出光線
1206．．．反射器
1210．．．發光區域
1214．．．光電二極體偵測器
1218．．．矽基板
1220、1222 1224、1226．．．終端
在該些圖式中，圖1A顯示根據本發明一態樣所設計的發光元件；圖1B顯示根據本發明某些態樣所設計之發光元件陣列；圖2顯示根據本發明一態樣所設計之發光元件；圖3顯示根據本發明一態樣來製造發光元件方法的步驟；圖4與5顯示示範性奈米織物物件；圖6顯示一示範性圖案化物件；圖7A顯示一先前技術光電絕緣器；圖7B顯示一示範性碳奈米管光電絕緣器；圖8A顯示一包含連接到導體對(conductor pair)之奈米管織物發光體的基板。
圖8B顯示奈米管發光體與所得到的光譜輸出；圖9顯示一整合(integrated)奈米管光隔離器與光學驅動器；圖10顯示一整合奈米管光學驅動器與光學接收器；圖11顯示一第一晶片間光學驅動器；圖12顯示一第二晶片間光學驅動器；圖13A顯示一從奈米管發光體發出的光線；以及圖13B亦顯示一從奈米管發光體發出的光線。
100．．．示範性發光元件
102．．．奈米管帶子
104．．．支撐物
106．．．懸置區域
108．．．氮化物層
110．．．間隙區域
112．．．第二基板材料
120．．．陣列
122．．．電極
130．．．驅動電路

Claims (10)

  1. 一種發光體，包含：一奈米管物件(nanotube article)，與第一接點(contact)以及第二接點電性連通，該奈米管物件包含一纏繞的奈米管織物且具有第一熱傳導率；一多孔基板，擁有具有第二熱傳導率的預定區域，該預定區域與該奈米管物件成預定實質關係(predefined physical relation)，該第二熱傳導率實質上小於該第一熱傳導率；以及一刺激電路(stimulus circuit)，與第一以及第二接點電性連通，並提供足以引起自鄰近預定區域之奈米管物件發光的電性刺激。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光體，其中該預定區域係為形成在基板裡的通道。
  3. 如申請專利範圍第1項之發光體，其中該刺激電路提供足以引起自鄰近預定區域之奈米管物件之黑體輻射的電性刺激。
  4. 一種發光體系統，包含：一多孔基板，擁有具有第二熱傳導率的預定區域；在該基板中之一積體電路，；一發光體，具有一奈米管物件，與第一接點以及第二接點電性連通地形成，該奈米管物件包含一纏繞的奈米管織物且具有第一熱傳導率，該奈米管物件係與該預定 區域成預定實質關係，該第一熱傳導率實質上大於該第二熱傳導率；以及一刺激電路，與第一以及第二接點電性連通，並提供足以引起自鄰近預定區域之奈米管物件發光的電性刺激。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該積體電路係為一互補式金屬氧化半導(CMOS)電路。
  6. 一種光隔離器，包含：一發光體，具有一奈米管物件，與第一接點以及第二接點電性連通，該奈米管物件包含一纏繞的奈米管織物且具有第一熱傳導率；一多孔基板，擁有具有第二熱傳導率的預定區域，該預定區域與該奈米管物件成預定實質關係，該第一熱傳導率實質上大於該第二熱傳導率；以及一刺激電路，與第一以及第二接點電性連通，並提供足以引起自鄰近預定區域之奈米管物件發光的電性刺激；以及一光學偵測器，其相關於發光體地放置，以自其接收光能。
  7. 如申請專利範圍第6項之光隔離器，其中該發光體與該光學偵測器係被整合在相同晶片上。
  8. 一光學驅動器電路，包含：一發光體，具有 一奈米管物件，與第一接點以及第二接點電性連通，該奈米管物件包含一纏繞的奈米管織物且具有第一熱傳導率；一多孔基板，擁有具有第二熱傳導率的預定區域，該預定區域與該奈米管物件成預定實質關係，該第一熱傳導率實質上大於該第二熱傳導率；以及一光學偵測器，其相關於發光體地放置，以自其接收光能。
  9. 如申請專利範圍第8項之驅動器，其中該驅動器係為晶片外(off-chip)驅動器。
  10. 如申請專利範圍第8項之驅動器，其中該驅動器係為晶片上(on-chip)驅動器。
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