專利名稱：?jiǎn)伪谔技{米管“與”門(mén)邏輯器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種邏輯器件，特別涉及一種以單壁碳納米管為基礎(chǔ)的“與”門(mén)邏輯器件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體技術(shù)從出現(xiàn)到成熟已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的風(fēng)風(fēng)雨雨。從那些簡(jiǎn)陋而碩大的二極管、三極管，到現(xiàn)在每平方厘米4200萬(wàn)個(gè)晶體管的集成電路，半導(dǎo)體電路一步步地進(jìn)入人們的生活。時(shí)至今日，半導(dǎo)體電路已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的組成部分。當(dāng)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)無(wú)一不和半導(dǎo)體技術(shù)息息相關(guān)。不敢想象如果沒(méi)有電腦、網(wǎng)絡(luò)等這些以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)，我們的生活會(huì)是什么樣。人們甚至用“數(shù)字化生存”來(lái)定義現(xiàn)代人的生活方式，可見(jiàn)半導(dǎo)體技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)的地位。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)器件尺寸和速度等指標(biāo)要求的不斷提高，半導(dǎo)體器件越來(lái)越暴露出其自身的種種缺點(diǎn)。
首先，受傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝的限制，半導(dǎo)體器件的尺寸無(wú)法進(jìn)一步縮小，集成度難以提高。光刻技術(shù)是傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的主要組成部分之一。由于光刻的媒介是光，所以受光波長(zhǎng)的限制，目前10nm的加工精讀幾乎已經(jīng)到達(dá)了極限。其次，受半導(dǎo)體器件工作原理的限制，半導(dǎo)體電路的速度無(wú)法提高。半導(dǎo)體器件的工作介質(zhì)是以Si為代表的各種半導(dǎo)體材料，通過(guò)摻雜等工藝形成P型或N型半導(dǎo)體。P型和N型的半導(dǎo)體接觸形成的P-N結(jié)，是半導(dǎo)體器件工作的基礎(chǔ)。所以其器件的響應(yīng)速度有一個(gè)和其材料有關(guān)的極限值。目前半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)使器件的運(yùn)行速度接近了這一速度極限值。再次，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電路的設(shè)計(jì)和制作也越來(lái)越復(fù)雜。早期的電路都是單層電路，即所有的器件和連線都在同一平面上，而目前電路大都是多層結(jié)構(gòu)。受半導(dǎo)體材料和工藝的限制，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高對(duì)電路的設(shè)計(jì)和制作帶來(lái)了許多的困難。
以單壁碳納米管和納米線為代表的新一代納米材料和隨之而來(lái)的新的加工技術(shù)的出現(xiàn)為電路發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。單壁碳納米管等納米材料以其獨(dú)有的電學(xué)特性吸引了人們的注意力，成為下一代電子器件的首選材料，所以以單壁碳納米管為主的納米電路的研究和發(fā)展有重要的意義。
1998年，IBM研究中心的R.Martel等人(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，No.17，2447)用單壁碳納米管制作出場(chǎng)效應(yīng)管。這種單壁碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管在室溫下有良好的電學(xué)性質(zhì)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)完全可以和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管相媲美。場(chǎng)效應(yīng)管是數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)，因此可以說(shuō)單壁碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)是邁向納米邏輯電路的第一步。此后，Adrian.Bachtold等人(《科學(xué)》SCIENCE，2001，294，1317.)在單壁碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)之上成功設(shè)計(jì)制作出在室溫下工作的邏輯門(mén)電路和器件，其中包括邏輯“非”電路、邏輯“或否”電路、隨機(jī)存儲(chǔ)器和振蕩器。這些單壁碳納米管電路和器件利用單壁碳納米管在偏壓的控制下改變其導(dǎo)通狀態(tài)的原理(單壁碳納米管因其結(jié)構(gòu)不同而有不同的電學(xué)性質(zhì)，此處所指的單壁碳納米管在不加?xùn)艍簳r(shí)處在不導(dǎo)通狀態(tài)，在加一定的柵壓時(shí)處在導(dǎo)通狀態(tài))。同時(shí)，Yu Huang等人制作出以半導(dǎo)體納米線為基礎(chǔ)的邏輯“與”電路。這種納米線邏輯電路的工作原理是利用不同摻雜的P型或者N型半導(dǎo)體納米線相互接觸，從而形成P-N結(jié)，利用半導(dǎo)體P-N的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。雖然這些單壁碳納米管和納米線電路和器件表現(xiàn)良好，但也有其缺點(diǎn)。在納米電路的制作中，單壁碳納米管和納米線的放置一直是困擾人們的一個(gè)難題。目前，人們使用“隧道顯微鏡”(STM)或“原子力顯微鏡”(AFM)技術(shù)操控納米材料，將其放置到位。而這些方法存在著效率低、效果差的缺點(diǎn)。Adrian.Bachtold等人制作的電路和器件大都使用一根以上的單壁碳納米管。而在Yu Huang等人制作的納米線電路中使用納米線交叉排列的結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計(jì)為電路的制作帶來(lái)和很大的困難，不利于器件的集成。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為解決單壁碳納米管邏輯電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺點(diǎn)和降低制作的難度，為了提高器件的制作效率和效果；從而提供一種只使用一根單壁碳納米管、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的，易于制作和集成的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件。
本實(shí)用新型的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，包括Si襯底，在該Si襯底上設(shè)有SiO2絕緣層，單壁碳納米管、柵極、電極和外電路中的電阻；其特征在于所述的柵極包括兩個(gè)獨(dú)立的柵極，柵極由在該Si襯底上設(shè)置的溝槽內(nèi)沉積Al及經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層構(gòu)成；所述的電極包括3個(gè)，電極設(shè)置在一根單壁碳納米管之上或之下；柵極和電極相間平行排列；一根單壁碳納米管平直放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面以及電極的貴金屬層表面相接觸；第一電極與第二電極接地，第二電極與襯底上或外電路中的電阻相連。
所述的SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；溝槽的深度在10nm至95μm之間。
所述的單壁碳納米管是單壁碳納米管。
所述的單壁碳納米管的取向與電極和柵極垂直。
所述的柵極和電極相間平行排列；柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
所述的柵極的Al2O3絕緣層厚度在1納米至5納米之間；柵極位于Si襯底上SiO2絕緣層中的兩條溝槽之中。
所述的柵極上表面與在Si襯底上的SiO2絕緣層表面上持平。
所述的電極上表面與在Si襯底上的SiO2絕緣層表面上持平。
本實(shí)用新型電路的制作方法是先在絕緣SiO2襯底上腐蝕出用于沉積貴金屬和Al的5道溝槽，再分別將Al和貴金屬電極所需的金屬(如Au)沉積到溝槽內(nèi)，形成柵極和電極；再將Al柵極氧化，形成Al2O3絕緣層；最后再將單壁碳納米管放置在電極和柵極之上，并且要確保單壁碳納米管與金屬電極之間的接觸良好。這樣制作的目的是確保單壁碳納米管處于一平面結(jié)構(gòu)上，以避免因單壁碳納米管彎曲而形成隧穿結(jié)而影響器件性能。
本實(shí)用新型與已有的碳納米管和納米線做成的電路相比在結(jié)構(gòu)上，創(chuàng)造性地使用了多柵極和多電極相間排列的結(jié)構(gòu)，并且只使用一根碳納米管就實(shí)現(xiàn)了邏輯“與”的功能，使器件易于制作，為未來(lái)納米電路的集成開(kāi)辟了道路。本實(shí)用新型的單壁碳納米管邏輯“與”門(mén)邏輯器件與已知的邏輯門(mén)電路相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和集成的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型的制作方法為將一根單壁碳納米管放置在電極和柵極之上，并且要確保單壁碳納米管與金屬電極之間的接觸良好，這樣確保單壁碳納米管處于一平面結(jié)構(gòu)上，避免了因單壁碳納米管彎曲而形成隧穿結(jié)而影響器件性能。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為Yu Huang等人制作的半導(dǎo)體納米線邏輯“與”電路；圖2為本實(shí)用新型的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件的原理圖；
圖3為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標(biāo)示1、單壁碳納米管；2、第一柵極；3、第二柵極；4、第一電極；5、第二電極；6、第三電極；7、SiO2絕緣層；8、Si襯底；9、電阻；10、恒壓源；11、P型Si納米線；12、N型GaN納米線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1選取(001)取向的硅作為襯底8。利用有機(jī)氣相沉積方法(PECVD)，在襯底8上制備300nm厚的SiO2層7。首先制作柵極2、3在SiO2絕緣層之上均勻涂抹厚度為80nm厚的電子光刻膠(PMMA)。電子束曝光后的光刻膠經(jīng)過(guò)顯影、定影，去除曝光的光刻膠后，在光刻膠層上形成兩條寬30nm、相距130nm的溝槽。使用干法刻蝕法刻蝕沒(méi)有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層中形成兩條寬30nm，深30nm、寬130nm的溝槽。利用電子束蒸發(fā)的方法，在表面沉積一層30nm厚的Al。將光刻膠剝離、清洗，再經(jīng)過(guò)氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3絕緣層。這樣就完成了柵極2、3的制備。然后制備電極4、5、6重復(fù)以上光刻步驟，在整個(gè)器件表面均勻涂抹一層厚度為80nm的光刻膠。光刻膠曝光后，在光刻膠層中形成三條寬30nm的溝槽。一條在柵極的中間，另外兩條在柵極外側(cè)、距柵極50nm。使用干法刻蝕，在沒(méi)有光刻膠的SiO2絕緣層中刻蝕出三條寬30nm、深30nm的溝槽。再一次利用電子束蒸發(fā)的方法，在整個(gè)表面沉積一層厚度為30nm的金。然后將電子光刻膠剝離、清洗后既完成了電極4、5、6的制備。選擇一根長(zhǎng)度為300nm，載流子濃度為9×106cm-1單壁碳納米管1，用原子力顯微鏡將其置于整個(gè)器件之上。要求單壁碳納米管放置沒(méi)有彎曲，方向基本與電極和柵極方向垂直，并且要與電極和柵極接觸良好。對(duì)器件進(jìn)行封裝后，連接電阻9和恒壓源10，電極4、6接地，完成整個(gè)器件的制備。
器件完成后，整個(gè)器件的外觀應(yīng)由兩個(gè)柵極和三個(gè)電極組成(參見(jiàn)圖4)。為了避免單壁碳納米管彎曲產(chǎn)生隧穿結(jié)，電極和柵極都應(yīng)和SiO2層持平。單壁碳納米管放置于柵極和電極之上。
本實(shí)用新型選用單壁碳納米管。這種半導(dǎo)體性的單壁碳納米管的性質(zhì)是在常溫下有較好的導(dǎo)電性，其電阻一般為幾百個(gè)kΩ。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知其載流子為空穴，所以導(dǎo)電類型為p型。其導(dǎo)電性能隨柵壓的改變而改變。在柵壓增大到一定值時(shí)，單壁碳納米管將處于截止?fàn)顟B(tài)。
下面結(jié)合單壁碳納米管的電學(xué)性質(zhì)和本實(shí)用新型的原理圖2，說(shuō)明本實(shí)用新型的工作原理。
如上所述單壁碳納米管在常溫下電阻一般為幾百個(gè)KΩ。由實(shí)驗(yàn)可知其載流子為空穴，導(dǎo)電類型為P型。在正向柵極偏壓的作用下，載流子——空穴的濃度將減小。在絕緣層厚度為140nm的情況下，柵極電壓在6V左右，單壁碳納米管中的空穴將被完全耗盡，單壁碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。同時(shí)，本實(shí)用新型可知此時(shí)，若保持單壁碳納米管的截止?fàn)顟B(tài)，在單壁碳納米管兩端所加的偏壓應(yīng)不大于1.5V。所以本實(shí)用新型規(guī)定在本實(shí)用新型的電路中，1.2V為邏輯值“1”，0V為邏輯值“0”。
在邏輯電路中，統(tǒng)一的邏輯值是非常重要的，在邏輯電路的所有的部分都應(yīng)遵守這個(gè)規(guī)定，這樣才能夠保證電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高、計(jì)算可靠。除了輸入端和輸出端要遵守這個(gè)規(guī)定之外，控制單壁碳納米管的柵極也必須遵守這個(gè)規(guī)定。
由以上討論本實(shí)用新型可知在柵極絕緣層厚度為140nm時(shí)，柵極的耗盡電壓為6V。本實(shí)用新型通過(guò)下面的計(jì)算確定，柵極的耗盡電壓為1.2V時(shí)，柵極絕緣層的厚度。
已知，單壁碳納米管與柵極之間的截?cái)嚯妷捍嬖谙铝嘘P(guān)系Q＝CVG，T(1)VG，T為截?cái)嚯妷?，Q為載流子所帶電荷，C為單壁碳納米管和柵極之間的電容。
Q與載流子濃度滿足公式Q＝peL(2)p為載流子濃度；e為載流子所帶電荷，在p型單壁碳納米管中載流子為空穴，所以這里e＝+1.6×10-19庫(kù)侖；L為單壁碳納米管與柵極接觸部分的長(zhǎng)度。
又知單壁碳納米管與柵極之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h為單壁碳納米管與柵極之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為單壁碳納米管半徑；ε是介電常數(shù)，在這里本實(shí)用新型取ε＝2.5。
將公式(2)、(3)帶入公式(1)中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，Th=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)---(4)]]>本實(shí)用新型選擇載流子濃度為9×106cm-1的P型單壁碳納米管。單壁碳納米管半徑為0.8nm，截止電壓為1.2V。帶入公式(4)可得h≈3nm。即在本實(shí)用新型中，當(dāng)Al2O3絕緣層厚度不大于3nm的情況下，單壁碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。
本實(shí)用新型是利用兩個(gè)柵極控制單壁碳納米管的導(dǎo)通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)邏輯“與”運(yùn)算的。當(dāng)輸入端電極2、3有一個(gè)或者兩個(gè)的輸入值都為邏輯“0”，即電壓0V時(shí)，單壁碳納米管的一部分或者是全部處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，輸出端電極5的電壓為0，即邏輯值“0”；只有當(dāng)輸入端電極2、3輸入的邏輯值均為邏輯“1”，即電壓1.2V時(shí)，單壁碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，輸出電極5電勢(shì)與恒壓源10相等，為1.2V，即邏輯值“1”。本實(shí)用新型真值表如表1所示。從真值表中可以看出，本實(shí)用新型通過(guò)柵極對(duì)單壁碳納米管狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)了邏輯“與”運(yùn)算。
表1

實(shí)施例2選用(001)取向的硅作為襯底8。按實(shí)施例1的方法制備SiO2絕緣層7和兩個(gè)柵極2、3。選擇一根直徑1nm、長(zhǎng)度為600nm的單壁碳納米管1，利用原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)將其放置于兩個(gè)柵極之上。要求兩個(gè)柵極應(yīng)大約處于單壁碳納米管的中間位置，兩柵極與單壁碳納米管接觸良好，并且單壁碳納米管沒(méi)有彎曲，方向與兩柵極垂直。單壁碳納米管放置到位后，在兩個(gè)柵極的中間兩外側(cè)50nm的位置，用聚焦離子束(FIB)方法在單壁碳納米管之上制備三個(gè)寬度為0.1μm、高度為200nm的金電極4、5、6。器件的封裝完畢后，連接電阻9和恒壓源10，電極4、6接地，完成器件的制備。
封裝完畢后，器件的整體外形應(yīng)是由兩個(gè)與SiO2層持平的柵極和三個(gè)置于SiO2層之上的電極組成(參見(jiàn)圖5)。單壁碳納米管放于柵極之上，由電極固定。
實(shí)施例3按實(shí)施例1的方法制備兩個(gè)柵極2、3和三個(gè)電極4、5、6。應(yīng)用電子束蒸發(fā)的方法沉積一條長(zhǎng)100μm、直徑為12nm的Al線。其方向與電極垂直、一端與電極5連接，另一段沉積一尺寸為30nm×30nm，厚度為30nm的金電極。經(jīng)過(guò)氧化后，在Al線表面將形成4-5nm厚的Al2O3氧化層。Al線中導(dǎo)通部分的直徑約為2nm。這樣，Al線的電阻大約為幾十個(gè)MΩ，電阻9制備完畢。按實(shí)施例1的標(biāo)準(zhǔn)和方法挑選和放置單壁碳納米管。最后將器件封裝后，連接恒壓源10，電極4、6接地，完成器件的制作。
制作工藝中的關(guān)鍵是制作盡可能薄的柵極絕緣層，同時(shí)又要確保絕緣層有良好的絕緣性。減小絕緣層的厚度可以進(jìn)一步降低柵壓，提高器件的性能和可靠性。
權(quán)利要求1.一種單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，包括Si襯底，在該Si襯底上設(shè)有SiO2絕緣層，單壁碳納米管、柵極、電極和外電路中的電阻；其特征在于所述的柵極包括兩個(gè)獨(dú)立的柵極，柵極由在該Si襯底上設(shè)置的溝槽內(nèi)沉積Al及經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層構(gòu)成；所述的電極包括3個(gè)，電極設(shè)置在一根單壁碳納米管之上或之下；柵極和電極相間平行排列；一根單壁碳納米管平直放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面以及電極的貴金屬層表面相接觸；第一電極與第二電極接地，第二電極與襯底上或外電路中的電阻相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于柵極和兩個(gè)電極位于襯底上的SiO2絕緣層中的溝槽內(nèi)，溝槽的深度在10nm至95μm之間；SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；柵極和電極的寬度在10nm至50μm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的兩個(gè)電極位于襯底的絕緣層和單壁碳納米管之上是在一條貴金屬層覆蓋在其上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的兩個(gè)電極位于單壁碳納米管之上是在Si襯底上設(shè)置的溝槽內(nèi)沉積貴金屬構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于柵極的絕緣層厚度在1納米至5納米之間。柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于單壁碳納米管平直放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于柵極的上表面與襯底的絕緣層上表面持平。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單壁碳納米管“與”門(mén)邏輯器件，其特征在于電極的上表面與SiO2絕緣層的上表面持平。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種以單壁碳納米管為基礎(chǔ)的“與”門(mén)邏輯器件，該邏輯器件由一單壁碳納米管、兩個(gè)獨(dú)立的柵極和三個(gè)獨(dú)立的柵極構(gòu)成。中間電極加恒定偏壓并作為輸出端，另外兩個(gè)電極接地。利用兩個(gè)柵極為輸入端，用來(lái)控制單壁碳納米管截止或?qū)?，從而?shí)現(xiàn)了邏輯“與”運(yùn)算。與其它單壁碳納米管邏輯電路相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于制作。
文檔編號(hào)H03K19/20GK2566462SQ0223961
公開(kāi)日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月5日
發(fā)明者趙繼剛, 王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所