專利名稱：：水平生長(zhǎng)碳納米管的方法和使用碳納米管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及生長(zhǎng)碳納米管(carbonnanotube)的方法，具體涉及一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，其中可以在形成有觸媒的基底上的特定位置處沿水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管，使得該方法可以用于制造納米器件。而且，本發(fā)明涉及一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，其中在希望的特定位置形成納米點(diǎn)或納米線的形狀的觸媒，使得在特定位置選擇性地生長(zhǎng)碳納米管，從而可以將該方法有效地用于制造納米器件。此外，本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在水平方向生長(zhǎng)碳納米管以形成獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的碳納米管橋，并且在希望的方向磁化與其間形成碳納米管橋的源極和漏極接觸的觸媒，以便同時(shí)獲得自旋閥(spinvalve)和單電子晶體管(SET)。
背景技術(shù)：
：碳納米管具有一維量子線的結(jié)構(gòu)并且具有良好的機(jī)械和化學(xué)特性。而且，已經(jīng)知道碳納米管表現(xiàn)出非常有趣的電特性，例如量子遷移現(xiàn)象。此外，除上述特性外由于最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其它的特殊性質(zhì)，碳納米管作為一種新材料已受到很多關(guān)注。為了利用這種材料的優(yōu)良特性，必須先提出可重新執(zhí)行(re-executable)的碳納米管制造工藝。但是，在現(xiàn)有工藝中，制造完碳納米管后，要把它們一個(gè)接一個(gè)地放置到希望的位置。因此，對(duì)于以“單獨(dú)處理模式”將生長(zhǎng)的碳納米管放置到希望位置的現(xiàn)有工藝，很難將其應(yīng)用到電子元件或高度集成元件，并且現(xiàn)在進(jìn)行了很多研究和開(kāi)發(fā)，以便克服這個(gè)問(wèn)題。此外，在作為一種合成碳納米管的現(xiàn)有方法的垂直生長(zhǎng)方法中，在形成有觸媒圖形4的基底2上以整齊布置的麥田的形狀在垂直方向生長(zhǎng)碳納米管6。對(duì)于垂直生長(zhǎng)方法，已經(jīng)存在大量報(bào)道。但是，為了把碳納米管作為一種具有新功能的納米器件使用，從應(yīng)用方面考慮，相對(duì)于垂直生長(zhǎng)技術(shù)，一種能夠在特定位置在水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管的技術(shù)更為有用并且更為人們所需要。圖2中顯示了HongJieDie所作的第一份報(bào)道(見(jiàn)Nature，vol.395，page878)，其中表示了可以在待相互連接的構(gòu)圖金屬之間水平地生長(zhǎng)碳納米管。圖2是用于示意性顯示HongJieDie報(bào)道的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法的圖。但是，圖2明顯地顯示了不僅在水平方向而且在垂直方向生長(zhǎng)了大量碳納米管。這是因?yàn)樘技{米管是從觸媒金屬的表面生長(zhǎng)的，并且是在觸媒的所有暴露表面上隨機(jī)地生長(zhǎng)的。而且，由于在1988年在包括磁金屬和非磁金屬的多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻(GMR)效應(yīng)，在世界上廣泛開(kāi)展了關(guān)于磁金屬薄膜的研究。而且，由于電子以自旋極化狀態(tài)存在于磁金屬中，可以通過(guò)利用這一特性產(chǎn)生極化自旋電流。因此，通過(guò)利用作為電子的一個(gè)重要固有特性的自旋自由程度，已經(jīng)投入了大量努力來(lái)理解和開(kāi)發(fā)自旋電子器件(spintronics)或磁電子器件。近來(lái)，在納米結(jié)構(gòu)的磁性多層膜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的諸如隧穿磁阻(TMR)和巨磁阻(GMR)之類的現(xiàn)象已經(jīng)被應(yīng)用到磁阻(MR)磁頭元件中并投入待商業(yè)化的計(jì)算機(jī)的硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)中。在此情況下，TMR意味著一種現(xiàn)象，其中隧穿電流根據(jù)一個(gè)具有鐵磁體/電介質(zhì)(半導(dǎo)體)/鐵磁體結(jié)構(gòu)的結(jié)中的鐵磁體材料的相對(duì)磁化方向而改變，并且具有比其它磁阻更大的磁阻比率和更大的場(chǎng)靈敏度，使得人們積極地開(kāi)展研究，以在下一代磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)或磁阻頭的材料中利用這種現(xiàn)象。但是，電介質(zhì)層的形成的再現(xiàn)性和結(jié)阻抗的減小成為嚴(yán)重的問(wèn)題。當(dāng)前，磁應(yīng)用領(lǐng)域的很多科學(xué)家正利用在低磁場(chǎng)中顯示磁阻現(xiàn)象的自旋閥和磁隧穿結(jié)(MTJ)在積極地進(jìn)行MRAM制造方法的研究。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明致力于解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，其中可以在形成有觸媒的基底上的特定位置處沿水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管，使得該方法可以用于制造納米器件。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，其中在希望的特定位置形成納米點(diǎn)或納米線的形狀的觸媒，使得在特定位置選擇性地生長(zhǎng)碳納米管，由此該方法可以有效地用于制造納米器件。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在水平方向生長(zhǎng)碳納米管以形成碳納米管橋，從而獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，并且在希望的方向磁化與其間形成碳納米管橋的源極和漏極接觸的觸媒，以便同時(shí)獲得自旋閥和單電子晶體管(SET)。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，該方法包括以下步驟(a)在第一基底上形成預(yù)定觸媒圖形；(b)在第一基底上形成垂直生長(zhǎng)防止層，該防止層防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng)；(c)通過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底形成多個(gè)小孔以通過(guò)小孔露出觸媒圖形；和(d)在觸媒圖形的暴露表面合成碳納米管，以便在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。在此情況下，步驟c中形成的小孔是通孔型，即小孔完全穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底，或者是井型，即僅部分地腐蝕第一基底，使得小孔穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和一部分第一基底。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，該方法包括以下步驟(i)在第一基底上的預(yù)定位置形成掩模；(j)在第一基底和第一基底上形成的掩模上形成觸媒圖形；(k)在第一基底上形成垂直生長(zhǎng)防止層，該防止層防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng)；(l)從垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底上去除掩模，以便形成小孔并露出觸媒圖形；和(m)在觸媒圖形的暴露位置合成碳納米管，以便在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，該方法包括以下步驟在第一基底上以預(yù)定的二維布置方式形成觸媒圖形；制造用于防止碳納米管垂直生長(zhǎng)的第二基底，具有預(yù)定形式布置的孔；把用于防止碳納米管垂直生長(zhǎng)的第二基底以預(yù)定間隙放置在具有觸媒圖形的第一基底上；在觸媒圖形上合成碳納米管，以便水平地生長(zhǎng)碳納米管。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，該方法包括以下步驟在一基底上形成納米點(diǎn)或納米線形狀的觸媒；在納米點(diǎn)或納米線形狀的觸媒上構(gòu)圖一個(gè)生長(zhǎng)防止層，以便防止納米點(diǎn)或納米線在垂直方向生長(zhǎng)；以及在納米點(diǎn)或納米線上在水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管。在此情況下，利用壓印方法或自組裝方法構(gòu)圖納米點(diǎn)或納米線形狀的觸媒。此外，生長(zhǎng)防止層可以由選自包括氮化硅(SiN)和氧化硅(SiO2)的組中的一種化合物構(gòu)成的絕緣膜形成，或者可以由選自包括鈀(Pd)，鈮(Nb)和鉬(Mo)的組中的一種金屬形成。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，該方法包括以下步驟在基底上形成納米線形狀的觸媒；利用包括光刻工藝在內(nèi)的半導(dǎo)體工藝在納米線形狀的觸媒上形成生長(zhǎng)防止層，該生長(zhǎng)防止層與基底間隔預(yù)定間隙；利用濕腐蝕，在不形成生長(zhǎng)防止層的區(qū)域中除去一部分納米線形狀的觸媒；以及利用化學(xué)氣相淀積方法，在與基底間隔預(yù)定間隙的生長(zhǎng)防止層下形成的觸媒之間在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。此外，根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源極，漏極，和源極和漏極之間的碳納米管橋，碳納米管橋由源極和漏極之間在水平方向生長(zhǎng)的碳納米管形成，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以控制電子流動(dòng)。在此情況下，在源極和漏極之間形成的碳納米管橋包括具有半導(dǎo)體特性的碳納米管。而且，在源極和漏極之間形成的碳納米管橋上，形成多個(gè)柵極碳納米管，與源極和漏極之間的碳納米管橋交叉，以便產(chǎn)生能壘來(lái)形成量子點(diǎn)(quantumpoint)并控制電流的流動(dòng)。而且，在柵極碳納米管橋形成柵極時(shí)，量子點(diǎn)具有通過(guò)使用公共端子控制的大小。此外，場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括第一和第二導(dǎo)線，第一和第二導(dǎo)線可以通過(guò)電流并被分別設(shè)置在源極和漏極上，以便在希望的方向磁化與源極和漏極接觸的觸媒。源極上設(shè)置的第一導(dǎo)線和漏極上設(shè)置的第二導(dǎo)線被相互平行布置。在結(jié)合附圖閱讀了以下詳細(xì)說(shuō)明后，可以對(duì)本發(fā)明的上述目的、和其它特征和優(yōu)點(diǎn)有更清楚的理解，在附圖中圖1是示意性顯示垂直生長(zhǎng)碳納米管的常規(guī)方法的圖；圖2是示意性顯示HongJieDie揭示的水平生長(zhǎng)碳納米管的另一個(gè)常規(guī)方法的圖；圖3A到3D是顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例水平生長(zhǎng)碳納米管的方法的圖；圖4是由圖3A到3D中顯示的方法制造的對(duì)象的透視圖；圖5A和圖5B是剖視圖，分別顯示了孔型和井型結(jié)構(gòu)，在孔型結(jié)構(gòu)中，小孔穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底的孔型結(jié)構(gòu)，在井型結(jié)構(gòu)中，保留一部分第一基底不被腐蝕，以使得每個(gè)小孔不完全穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底；圖6A到11是用于顯示根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法所水平生長(zhǎng)的碳納米管的各種形狀的圖；圖12A和12B是用于顯示結(jié)構(gòu)的圖，其中對(duì)金屬進(jìn)行構(gòu)圖以與由根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法水平生長(zhǎng)碳納米管形成一個(gè)結(jié)或多個(gè)結(jié)；圖13A到13D是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的另一個(gè)方法的圖；圖14A到14C是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的另一個(gè)方法的圖；圖15A到15C是示意性顯示由根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法在希望位置水平生長(zhǎng)碳納米管的過(guò)程的圖；圖16A到17D是顯示在水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管的方法的圖，其中將觸媒金屬形成為納米線形狀，并且形成觸媒的位置可以由濕腐蝕控制；圖18A和18B是示意性顯示在根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法中用于形成納米點(diǎn)或納米線的納米印刻過(guò)程的圖；圖19是示意性顯示在根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法中用于形成納米點(diǎn)或納米線的自組裝方法的圖；圖20是示意性顯示利用根據(jù)本發(fā)明的碳納米管的自旋閥單電子晶體管的結(jié)構(gòu)的圖；圖21是圖20所示根據(jù)本發(fā)明的自旋閥單電子晶體管的透視圖；圖22是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的自旋閥單電子晶體管的圖；圖23到26是示意性顯示由根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法形成的各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的圖。具體優(yōu)選實(shí)施方案從以下結(jié)合附圖的說(shuō)明中可以對(duì)本發(fā)明的上述和其它目的，特性和優(yōu)點(diǎn)有更清楚的理解。圖3A到3D是顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法的圖，圖4是由圖3A到3D中顯示的方法制造的對(duì)象的透視圖。參見(jiàn)圖3A到4，根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法包括以下步驟(a)在第一基底10上形成預(yù)定觸媒圖形12；(b)在第一基底10上形成垂直生長(zhǎng)防止層14，該防止層防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng)；(c)通過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層14和第一基底10形成小孔16以通過(guò)小孔16露出觸媒圖形12；和(d)在觸媒圖形12的暴露表面18上合成碳納米管，以便在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。根據(jù)目的的不同，第一基底10和垂直生長(zhǎng)防止層14可以采用各種材料，例如硅，玻璃，氧化硅，涂敷有氧化銦錫(ITO)的玻璃。對(duì)于上述觸媒，可以使用能夠生長(zhǎng)碳納米管的各種材料，包括金屬，合金，超導(dǎo)金屬，和其它特殊金屬。而且，可以利用光刻，噴鍍，蒸鍍等工藝將這些材料形成為預(yù)定圖形12。在此情況下，可以利用激光鉆孔，濕腐蝕和干腐蝕等方法形成位于觸媒圖形的特定位置的小孔16。同時(shí)，更詳細(xì)地說(shuō)，小孔16可以是孔型，即如圖5A所示，小孔16穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層14和第一基底10，或者是井型，即如圖5B所示，不腐蝕而保留第一基底10的一部分，使得每個(gè)小孔16不完全穿過(guò)垂直生長(zhǎng)防止孔14和第一基底10。然后，把通過(guò)上述工藝制備的圖5A或圖5B中所示的對(duì)象放置到用于合成碳納米管的設(shè)備中，并進(jìn)行合成，使得僅在暴露到源氣氛的觸媒圖形的暴露表面18上生長(zhǎng)各碳納米管。即，僅在與第一基底10平行的水平方向生長(zhǎng)碳納米管。在此情況下，在合成碳納米管時(shí)可以使用以下方法，例如觸媒熱分解方法，等離子氣相淀積方法，和熱絲氣相淀積方法。此外，可以使用碳?xì)浠衔镒鳛樵牧?，例如甲烷，乙炔，一氧化碳，苯和乙烯。同時(shí)，圖6A，6B和11顯示由根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法水平生長(zhǎng)的各種形狀的碳納米管。圖6A和6B顯示在直線型觸媒圖形12上生長(zhǎng)的碳納米管20，其中在觸媒圖形的預(yù)定部分形成小孔。在此情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂坪铣蓵r(shí)間，能夠可選地獲得橋式結(jié)構(gòu)的碳納米管20，其中觸媒圖形相互對(duì)著的暴露表面18通過(guò)碳納米管相互連接，或者可選地獲得自由懸掛結(jié)構(gòu)的碳納米管，其中相互對(duì)著的暴露表面18相互不連接。同時(shí)，可以通過(guò)控制暴露的觸媒表面的微粒的面積或尺寸來(lái)確定所生長(zhǎng)的碳納米管20的直徑，并且通過(guò)改變形成圖形的條件或者通過(guò)后續(xù)處理(例如等離子處理和酸處理)可以使暴露的觸媒表面具有各種表面狀態(tài)。因此，通過(guò)上述工藝，在單個(gè)暴露表面上至少可以生長(zhǎng)兩個(gè)碳納米管20，并且如圖6B所示，在觸媒圖形的相互對(duì)著的暴露表面18上生長(zhǎng)的碳納米管20可以具有不同的結(jié)構(gòu)，即不同的直徑，不同的螺旋特性(chirality)等等。圖7A到7D分別顯示在交叉型觸媒圖形上水平生長(zhǎng)的碳納米管，其中在觸媒圖形的交叉區(qū)域上形成小孔。與直線型觸媒圖形相同，在該交叉型觸媒圖形中也可以獲得如圖7A中所示的橋式結(jié)構(gòu)的碳納米管20或圖7C中所示的自由懸掛結(jié)構(gòu)的碳納米管20。此外，如圖7C所示，在觸媒圖形的相互對(duì)著的暴露表面上生長(zhǎng)的碳納米管20可以具有彼此不同的直徑，并且如圖7B所示在一個(gè)暴露表面上至少可以生長(zhǎng)兩個(gè)碳納米管20。而且，通過(guò)在觸媒圖形的每個(gè)暴露表面上生長(zhǎng)多個(gè)碳納米管，所生長(zhǎng)的碳納米管可以具有如圖7D所示的網(wǎng)形。此外，如圖7A所示，通過(guò)控制垂直方向和水平方向的觸媒圖形的高度，可以相互交叉地生長(zhǎng)碳納米管20，這可以被用作一個(gè)柵極元件。此外，相互交叉生長(zhǎng)的碳納米管可以相互機(jī)械接觸，以便形成一個(gè)可以直接在結(jié)分析中使用的電結(jié)(electricjunction)，可以由元件使用這種結(jié)特性。在此情況下，作為一種便于形成結(jié)的方法，可以利用材料的熱擴(kuò)張/收縮。由于碳納米管的合成通常是在500℃至900℃之間的溫度進(jìn)行，可以通過(guò)利用熱收縮現(xiàn)象(在合成之后的冷卻階段中發(fā)生)來(lái)便于交叉生長(zhǎng)的碳納米管20之間的接觸。圖8，9，10和11分別顯示在放射狀觸媒圖形，圓形觸媒圖形，矩形觸媒圖形中水平生長(zhǎng)的碳納米管，和具有在至少兩個(gè)直線型的觸媒圖形上布置的至少兩個(gè)槽的結(jié)構(gòu)，其中小孔分別在圖形的交叉區(qū)域，圓的內(nèi)部，和矩形的內(nèi)部形成。圖6A到11顯示根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)的碳納米管的各種形狀，其并不限制本發(fā)明的范圍，可以以更有效的方式修改觸媒圖形以應(yīng)用于納米器件。同時(shí)，圖12A和12B顯示的結(jié)構(gòu)中，對(duì)金屬30構(gòu)圖與根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法水平生長(zhǎng)的碳納米管20形成一個(gè)結(jié)或多個(gè)結(jié)。因此，可以容易地獲得碳納米管20和金屬30之間的結(jié)，并且可以可選地在特定位置形成這種結(jié)。此外，通過(guò)利用上述方法，可以可選地在希望的位置形成碳納米管/碳納米管結(jié)，碳納米管/金屬結(jié)，和碳納米管/半導(dǎo)體結(jié)。同時(shí)，圖13A到13D是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的另一個(gè)方法的圖。參見(jiàn)圖13A到13D，根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法包括以下步驟(i)在第一基底10上的預(yù)定位置形成掩模40；(j)在第一基底10和第一基底10上形成的掩模40上形成觸媒圖形12；(k)在第一基底10上形成垂直生長(zhǎng)防止層14，該防止層防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng)；(1)從垂直生長(zhǎng)防止層14和第一基底10上除去掩模40，以便形成小孔42并露出觸媒圖形12；以及(m)在觸媒圖形的暴露位置上合成碳納米管，以便在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。在該實(shí)施例中，第一基底10和觸媒圖形12的材料，形成觸媒圖形的方法，和合成碳納米管的方法與第一實(shí)施例中相同。此外，利用諸如蒸鍍的方法在基底上形成掩模40，該掩模40可以通過(guò)腐蝕，加熱等方法容易地去除。此外，可以將觸媒圖形形成為各種形狀，包括直線形，交叉形，放射形，圓形，和矩形。本實(shí)施例也可以獲得圖6A到11所示的在水平方向生長(zhǎng)的碳納米管。圖14A到14C是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的另一個(gè)方法的圖。參見(jiàn)圖14A到14C，根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法包括以下步驟在第一基底10上以預(yù)定的二維布置方式形成觸媒圖形12；制造用于防止碳納米管垂直生長(zhǎng)的隔離基底50，具有預(yù)定方式布置的孔52；把垂直生長(zhǎng)防止基底50以預(yù)定間隙54放置在具有觸媒圖形12的第一基底10上；以及在觸媒圖形12處合成碳納米管以便水平地生長(zhǎng)碳納米管。在此情況下，本實(shí)施例中第一基底10和觸媒圖形12的種類，形成觸媒圖形的方法，和合成碳納米管的方法與第一實(shí)施例相同。此外，可以通過(guò)激光鉆孔，濕腐蝕和干腐蝕等方法形成用于防止碳納米管垂直生長(zhǎng)的第二基底50的孔52。在把垂直生長(zhǎng)防止基底50放置到第一基底10上方的步驟中，一個(gè)可以生長(zhǎng)碳納米管的間隔對(duì)于兩個(gè)基底10和50之間的預(yù)定間隙54是適合的。并且可以在第一和第二基底10和50的角部之間設(shè)置間隔柱56，以便保持其間的間隙。同時(shí)，圖15A到15C是顯示在根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法中，利用具有納米點(diǎn)或納米線形狀的觸媒，在希望的位置水平生長(zhǎng)碳納米管的過(guò)程的示意圖。首先，參見(jiàn)圖15A，在形成有氧化膜的硅基底上淀積以納米點(diǎn)或納米線形狀構(gòu)圖的觸媒金屬。在此情況下，通常使用與上述觸媒圖形12相同的材料作為觸媒金屬。此外，如圖15B所示，在納米點(diǎn)或納米線上淀積諸如鈀(Pd)，鈮(Nb)，鉬(Mo)等材料或者氮化硅(SiN)膜或氧化硅(SiO2)膜等絕緣層來(lái)形成生長(zhǎng)防止層。該層用于防止碳納米管從觸媒沿垂直方向生長(zhǎng)，并且進(jìn)一步用作電極(在金屬的情況下)。在此情況下，利用光致抗蝕工藝(PR工藝)和光刻工藝之類的通用半導(dǎo)體工藝可以以希望的形狀構(gòu)圖生長(zhǎng)防止層。因此，如圖15C所示，在形成有生長(zhǎng)防止層圖形的基底上，可以利用化學(xué)氣相淀積方法從觸媒沿水平方向生長(zhǎng)碳納米管。圖16A到17D是顯示在水平方向選擇性生長(zhǎng)碳納米管的方法的圖，其中將觸媒金屬形成為納米線的形狀，并且可以通過(guò)濕腐蝕控制觸媒的形成位置。首先，如圖16A和17A所示，在形成有氧化膜的硅基底上淀積構(gòu)圖為納米線形狀的觸媒金屬。在此情況下，通常使用與上述觸媒圖形12相同的材料作為觸媒金屬。此外，如圖16B和17B所示，淀積諸如鈀(Pd)，鈮(Nb)，鉬(Mo)等材料或者氮化硅(SiN)膜或氧化硅(SiO2)膜等絕緣層，在觸媒上形成納米點(diǎn)或納米線的形狀的生長(zhǎng)防止層，防止層與觸媒之間有預(yù)定間隙。該層用于防止碳納米管從觸媒沿垂直方向生長(zhǎng)，并進(jìn)一步用作電極(在金屬的情況下)?？梢岳霉庵驴刮g工藝和光刻工藝之類的通用半導(dǎo)體工藝以希望的形狀構(gòu)圖生長(zhǎng)防止層。在此情況下，圖17B顯示了該情況，其中在形成圖形的過(guò)程中發(fā)生了錯(cuò)誤，即在生長(zhǎng)防止層的構(gòu)圖過(guò)程中在不希望的區(qū)域露出了觸媒。而且，如圖16C和17C所示，利用濕腐蝕去除了在不形成生長(zhǎng)防止層的區(qū)域中的具有納米線形狀的觸媒(即在不希望區(qū)域中的觸媒)。在此情況下，在進(jìn)行濕腐蝕的情況下，由于進(jìn)行各向同性腐蝕，觸媒金屬被進(jìn)一步向生長(zhǎng)防止層內(nèi)部腐蝕(見(jiàn)圖16C)，使得生長(zhǎng)防止層的功能(即防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng))變得更加重要。此外，與以納米點(diǎn)形狀形成觸媒的情況不同，在以納米線形狀形成觸媒的情況下，甚至在已經(jīng)進(jìn)行了過(guò)度腐蝕時(shí)，用于生長(zhǎng)碳納米管的觸媒仍保留在基底上，以便形成更有效的生長(zhǎng)防止層。此外，如圖17B和17C所示，甚至當(dāng)在光刻工藝中錯(cuò)誤地形成了生長(zhǎng)防止層的圖形時(shí)，也可以利用濕腐蝕處理光刻工藝中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。因此，利用化學(xué)氣相淀積方法，可以在以預(yù)定間隙在生長(zhǎng)防止層下形成的觸媒之間水平地生長(zhǎng)碳納米管。同時(shí)，在圖15A到17D所示的實(shí)施例中，可以使用以下的公知方法作為在基底上形成納米點(diǎn)或納米線形狀的觸媒圖形的方法。一種方法是利用如圖18A和18B所示的納米印刻過(guò)程。圖18A和18B是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法中用于形成納米點(diǎn)或納米線的納米印刻法過(guò)程的圖。納米印刻法是一種壓印工藝，其中把具有納米圖形的模具壓到高分子薄膜上，以形成納米尺寸的高分子圖形，其可以應(yīng)用于大面積晶片，如圖18A和18B所示。納米印刻法是用于簡(jiǎn)單地制造具有幾十納米尺寸的圖形的工藝，與利用現(xiàn)有的精細(xì)光學(xué)處理技術(shù)的大面積納米圖形的形成工藝相比，已大為簡(jiǎn)化。此外，可以利用圖19所示的自組裝方法形成納米點(diǎn)或納米線的觸媒圖形，圖19是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法中用于形成納米點(diǎn)或納米線的自組裝方法的圖。在上述自組裝方法中，由金Au或硅Si之類的金屬構(gòu)成的基底上表面被涂敷了特定的材料，這種材料能夠被吸收到表面上作為表面活性首基，大部分是單分子層中吸收的有機(jī)分子，然后再涂敷一種烴基中的材料，能實(shí)現(xiàn)與待涂敷在其上的材料的連接。然后，在其上涂敷具有膜的特性的表面基(surfacegroup)材料，使得可以制造具有從單個(gè)層到多個(gè)層各種層的超精細(xì)薄膜。即，施加能被基底吸收的特定材料，并且施加用于與待淀積的薄膜材料橋接的材料，然后淀積薄膜的希望材料。在把能進(jìn)行化學(xué)吸收的特定材料淀積在表面上后，利用掃描隧道顯微鏡/原子力顯微鏡(STM/AFM)對(duì)其構(gòu)圖，從而可以獲得具有希望圖形的超精細(xì)薄膜。同時(shí)，圖20是示意性顯示利用根據(jù)本發(fā)明的碳納米管的自旋閥單電子晶體管的結(jié)構(gòu)的圖，圖21是圖20所示根據(jù)本發(fā)明的自旋閥單電子晶體管的透視圖。通過(guò)利用由上述水平生長(zhǎng)碳納米管的方法在基底水平方向生長(zhǎng)的碳納米管可以獲得如下的自旋閥單電子晶體管。參見(jiàn)圖20和21，在根據(jù)本發(fā)明的自旋閥單電子晶體管中，在源極210和漏極220之間在水平方向生長(zhǎng)碳納米管以形成碳納米管橋260，碳納米管橋260使得可以控制電流的單位電子流動(dòng)。在此情況下，源極210和漏極220之間形成的碳納米管橋260由具有半導(dǎo)體特性的碳納米管組成。此外，源極210和漏極220之間形成的碳納米管橋260在多個(gè)柵極碳納米管270和280上形成，柵極碳納米管270和280被形成為產(chǎn)生一個(gè)能壘來(lái)形成量子點(diǎn)，并控制電流的流動(dòng)。此外，在源極210和漏極220上提供能流過(guò)電流的導(dǎo)線251和252，以便在希望的方向磁化與源極210和漏極220接觸的觸媒。此外，設(shè)置在源極210上的源極導(dǎo)線251和設(shè)置在漏極220上的漏極導(dǎo)線252被相互平行布置。同時(shí)，圖22是示意性顯示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的自旋閥單電子晶體管的圖。參見(jiàn)圖22，當(dāng)多個(gè)柵極碳納米管橋470和480形成柵極430和440時(shí)，通過(guò)使用公共端子490控制量子點(diǎn)的大小。本實(shí)施例中的其它元件與參考圖20和21所述的元件相同。此后，將對(duì)利用根據(jù)本發(fā)明的碳納米管的具有上述結(jié)構(gòu)的自旋閥單電子晶體管的操作進(jìn)行說(shuō)明。參見(jiàn)圖20和21，在源極210和漏極220之間形成的具有半導(dǎo)體特性的碳納米管橋260中，把正電壓施加到分別被定義為第一和第二柵極230和240的碳納米管橋270和280。因此，在點(diǎn)C1和C2的電荷可能不充足，導(dǎo)致在點(diǎn)C1和C2形成能壘。在此情況下，在源極210和漏極220之間形成碳納米管橋260的情況下，點(diǎn)C1和C2之間的部分與形成量子點(diǎn)的周圍部分隔離。此外，由于源極210和漏極220的電極通過(guò)過(guò)渡金屬觸媒(transitionmetalcatalyst)與碳納米管橋260接觸，考慮適當(dāng)?shù)某C頑力，通過(guò)發(fā)送被定義為Im1和Im2的電流，可以在希望的方向磁化與源極210和漏極220接觸的觸媒。利用上述方法，可以控制注入源極210的電子的自旋。在此情況下，當(dāng)源極210和點(diǎn)C1之間以及點(diǎn)C2和漏極220之間的碳納米管橋260部分是彈道導(dǎo)體(ballisticconductor)時(shí)，可以保持所注入電子的自旋。因此，在電子通過(guò)隧穿(tunneling)到點(diǎn)C1和C2之間形成的量子點(diǎn)而進(jìn)行訪問(wèn)的情況下，根據(jù)源極210和漏極220的磁化方向，當(dāng)自旋方向相同時(shí)很容易產(chǎn)生隧穿，而當(dāng)自旋方向互不相同時(shí)不容易產(chǎn)生隧穿。如上所述，通過(guò)控制通過(guò)溝道的碳納米管橋260發(fā)送的電流，可以獲得與自旋有關(guān)的單電子晶體管。同時(shí)，圖23到26是示意性顯示由根據(jù)本發(fā)明的水平生長(zhǎng)碳納米管的方法形成的各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的圖，下面將對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。圖23顯示一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在碳納米管的兩側(cè)都設(shè)置了柵極。在該示例中，可以使用鈮(Nb)，鉬(Mo)之類的金屬作為生長(zhǎng)防止膜的電極或電極層。此外，用作觸媒的觸媒層被設(shè)置在源極和漏極的電極層的下面。在此情況下，可以使用與上述觸媒圖形12相同的材料作為觸媒，并且通常使用鎳(Ni)，鐵(Fe)和鈷(Co)之類的材料。在此情況下，柵電極被設(shè)置在源極和漏極的兩側(cè)。而且，利用熱化學(xué)氣相淀積方法(TCVD)在柵電極之間合成碳納米管。因此，需要一個(gè)包括柵電極之間空間的幾何設(shè)計(jì)，使得可以在柵電極之間合成碳納米管。在此情況下，柵極之間的空間最好被設(shè)計(jì)為具有細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，即一種長(zhǎng)且窄的結(jié)構(gòu)，以使得在產(chǎn)生足夠的柵極電場(chǎng)的同時(shí)控制碳納米管的生長(zhǎng)。圖24顯示一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中柵極結(jié)構(gòu)位于底部。在此示例中，由于觸媒層的高度比柵極的高度大，在觸媒層下設(shè)置一緩沖層，以便利于高度調(diào)整和與晶片的絕緣層的粘附。此外，由于碳納米管具有良好彈性，可以利用電場(chǎng)使碳納米管彎曲。在此情況下，彎曲程度根據(jù)碳納米管的種類和長(zhǎng)度改變。盡管最大彎曲程度可以是幾十納米，但通常預(yù)期碳納米管彎曲幾個(gè)納米。因此，圖23中所述結(jié)構(gòu)被如下方式設(shè)計(jì)，使得柵極之間的距離比用于生長(zhǎng)碳納米管的觸媒的寬度大幾十納米。在圖24所述的地柵極的情況下，根據(jù)需要可以將一個(gè)薄電介質(zhì)層淀積在柵電極上。同時(shí)，圖25顯示一個(gè)結(jié)構(gòu)，其中把碳納米管用作柵極。同時(shí)，在合成碳納米管時(shí)，碳納米管可能垂直于電極的表面生長(zhǎng)，并且在碳納米管具有半導(dǎo)體特性時(shí)很難從希望的位置向相對(duì)的觸媒層生長(zhǎng)碳納米管。為了解決這些問(wèn)題，可以在觸媒層之間設(shè)置一個(gè)用作引導(dǎo)碳納米管生長(zhǎng)的向?qū)?guide)的路徑，即一個(gè)用于碳納米管生長(zhǎng)的通道，碳納米管可以在該路徑或通道中生長(zhǎng)(見(jiàn)圖26)。在此情況下，可以利用反應(yīng)離子腐蝕(RIE)之類的干腐蝕，在氧化硅膜上非常精細(xì)地制造用于碳納米管生長(zhǎng)的向?qū)АＨ缓?，在向?qū)У膬蓚?cè)淀積觸媒，然后在其上淀積電極。而且，在向?qū)赃呍O(shè)置柵極。此外，柵極可以如圖所示位于電介質(zhì)的表面上，并且柵電極可以被放置在象觸媒層這樣的腐蝕區(qū)域上，使得柵電極可以在與觸媒層或碳納米管的高度相同的高度施加電場(chǎng)。可以通過(guò)兩次光刻工藝制造圖23和24中所示的結(jié)構(gòu)。但是，圖25和26中所示的結(jié)構(gòu)需要三次光刻工藝。在此情況下，圖25中所示的結(jié)構(gòu)不僅可以制造為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，而且可以制造為隧道晶體管(tunnelingtransistor)。而且，在把至少兩個(gè)碳納米管設(shè)置為柵極的情況下，根據(jù)柵極偏置所制造出的可以是利用Kondo諧振的Kondo元件或單電子晶體管(SET)。在圖26所示的結(jié)構(gòu)中，在合成碳納米管時(shí)防止其在不希望的方向生長(zhǎng)，從而減小這種缺陷。雖然已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于這些特定實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明真實(shí)范圍的情況下，可以對(duì)其元件進(jìn)行各種變化，改進(jìn)和替換。權(quán)利要求1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括源極，漏極，以及源極和漏極之間的碳納米管橋，碳納米管橋由源極和漏極之間在水平方向生長(zhǎng)的碳納米管形成，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以控制電子的流動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中源極和漏極之間形成的碳納米管橋包括具有半導(dǎo)體特性的碳納米管。3.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在源極和漏極之間形成的碳納米管橋上，形成多個(gè)柵極碳納米管，與源極和漏極之間的碳納米管橋交叉，以便產(chǎn)生能壘來(lái)形成量子點(diǎn)并控制電流的流動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求3的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在柵極碳納米管橋形成柵極時(shí)，量子點(diǎn)具有通過(guò)使用公共端子控制的大小。5.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，進(jìn)一步包括第一和第二導(dǎo)線，第一和第二導(dǎo)線可以通過(guò)電流，并被分別設(shè)置在源極和漏極上，以便在希望的方向磁化與源極和漏極接觸的觸媒。6.根據(jù)權(quán)利要求5的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中源極上設(shè)置的第一導(dǎo)線和漏極上設(shè)置的第二導(dǎo)線被相互平行布置。7.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基底上形成一個(gè)引導(dǎo)槽，以允許碳納米管在源極和漏極之間在水平方向生長(zhǎng)，從而在源極和漏極之間在水平方向形成碳納米管橋。全文摘要揭示了一種水平生長(zhǎng)碳納米管的方法，其中可以在形成有觸媒的基底上的特定位置在水平方向選擇性地生長(zhǎng)碳納米管，該方法可用于制造納米器件。該方法包括以下步驟(a)在第一基底上形成預(yù)定觸媒圖形；(b)在第一基底上形成垂直生長(zhǎng)防止層，該防止層防止碳納米管在垂直方向生長(zhǎng)；(c)通過(guò)垂直生長(zhǎng)防止層和第一基底形成多個(gè)小孔，以通過(guò)小孔露出觸媒圖形；(d)在觸媒圖形的暴露表面上合成碳納米管以便在水平方向生長(zhǎng)碳納米管。文檔編號(hào)C01B31/02GK1770469SQ20051010708公開(kāi)日2006年5月10日申請(qǐng)日期2001年7月18日優(yōu)先權(quán)日2000年7月18日發(fā)明者申鎮(zhèn)國(guó),金圭兌,鄭珉在,尹尚帥,韓榮洙,李在恩申請(qǐng)人:Lg電子株式會(huì)社