用于对碳纳米管进行溶液处理掺杂的方法和设备技术

提供一种对碳纳米管掺杂的方法。该方法包括将碳纳米管暴露至液相中的单电子氧化剂。还提供了一种用于形成碳纳米管ＦＥＴ器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于对碳纳米管进行溶液处理掺杂的方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求2004年3月2日提交的临时申请60/549,185的优先权，其内容以引用方式结合在本文中。
本专利技术涉及纳米结构，具体地涉及用于对碳纳米管(CN)进行掺杂的溶液处理方法。
技术介绍
在分子纳米电子学领域，很少的材料具有与纳米管相同的前景，特别是包括中空柱体石墨的碳纳米管。取决于纳米管的电子特性，纳米管被制成诸如二极管和晶体管的细小电子器件。纳米管在其尺寸、形状以及物理性能方面是独一无二的。在结构上碳纳米管象六方点阵的碳被卷成柱体。除了表现出低温下的吸引人的量子行为之外，碳纳米管还表现出至少两个重要的特性：纳米管既可以是金属性的也可以是半导体体，这取决于其螺旋特性(chirality)(即构象几何)。金属纳米管可以在恒定电阻率下承载极大的电流密度。半导体性的纳米管可以电导通和断开，作为场效应晶体管(FET)。两种类型的纳米管可以通过共享电子而共价结合。这些特性使得纳米管成为用于制作纳米尺寸半导体电路的优良材料。目前用于制备纳米管的方法依赖于金属性和半导体性纳米管的随机形成。在目前的方法下，在环境条件中从刚生长的碳纳米管制作碳纳米管FET。这些纳米管由于在金属-碳纳米管界面处的氧交互作用而表现出p沟道导电(V.Derycke et al.Appl.Phys.Lett.80，-->2773(2002))。在金属-碳纳米管界面处的氧含量可以容易地通过标准的制作工艺来改变(例如诸如薄膜沉积的任何包括抽真空的后处理)。实际上，通过抽真空，p碳纳米管FET可以容易地被转换成双极或n碳纳米管FET。目前使用气态NO2对碳纳米管进行p掺杂的方法需要将器件保持在受控制的环境下以防止掺杂剂解吸附。目前的用于碳纳米管FET的n沟道导电的方法需要退火/除去接触处的氧气，或者通过采用贡献电子的碱金属(V.Derycke et al.Appl.Phys.Lett.80，2773(2002))或气体(NH3)掺杂。二者都需要受控制的环境，并且器件在暴露于空气时迅速劣化并停止起作用(J.Kong et at Science，287，622(2000))。碳纳米管TFT已知是肖特基势垒(SB)FET，其开关受在金属/纳米管界面处形成的SB控制(J.Appenzeller et al.，Phys.Rev.Lett.89，126801(2002))，并且在空气中作为p型FET而工作(V.Derycke etal.，Appl.Phys.Lett.80，2773(2002))。当栅极介质厚度按比例缩小时，由于纳米管的准一维沟道和超薄的碳纳米管本体厚度，SB可以被减薄足以允许电子或空穴的热辅助隧穿，从而碳纳米管FET在空气中作为双极FET而工作。电子和空穴向碳纳米管沟道中的同时注入以及截止电流(定义为当断开导电性时流经晶体管的漏电流)随着提高的漏场成指数地劣化(M.Radosavljevic et al.，Appl.Phys.Lett.83，2435(2003))在用于可能的逻辑门应用的按比例改变的FET中是不可接受的(其中截止电流可以和导通电流一样高，从而晶体管不能截止)。此外，目前碳纳米管FET制造方法的控制欠缺已经导致了碳纳米管FET在器件驱动电流方面表现出大的差异，并且器件阈值电压对于最终的器件比例而言过高。没有已知的方法用于可靠地制备具有特定特性的碳纳米管。也没有已知的纳米管分离的方法，诸如选择性的合成(用于选择性地合成金属性或半导体性的纳米管的工序)或后合成(用于从半导体性的纳米管分离金属性的纳米管或将金属性的纳米管转变成半导体性的纳米管的工序)。特别是，没有已知的用于对碳纳米管FET进行p掺杂的-->方法。因此，需要为制造碳纳米管FET提供稳定和一致性的掺杂方法的系统和方法，其中该纳米管表现出改善的驱动电流、减小/可调节的阈值电压和抑制在截止状态中的少数载流子注入(即从双极向单极晶体管转变)，并且在环境条件下稳定。
技术实现思路
在一个实施方式中，本专利技术涉及纳米结构，更具体地涉及用于对碳纳米管FET进行溶液处理p掺杂的系统和方法。本专利技术也涉及碳纳米管FET器件的形成。按照本专利技术的一方面，提供用于对碳纳米管掺杂的方法，其中包括将纳米管暴露于液相中的单电子氧化剂(one-electron oxidant)的步骤。在一个实施方式中单电子氧化剂的浓度从大约0.01mM至大约20mM并且温度从大约10℃至大约100℃。在一个实施方式中，单电子氧化剂选自由有机单电子氧化剂、金属有机复合物、pi电子受主和银盐构成的组。有机单电子氧化剂选自由三烷基氧六氯锑酸盐(trialkyloxonium hexachlroantimonate)、五氯化锑(antimony pentachloride)、亚硝基盐(nitrosonium salts)、三(五氟苯基)硼烷(tris-(pentafluorophenyl)borane)以及亚硝基阳离子(nitrosonium cation)构成的组。金属有机复合物包括三(2，2’-吡啶基)钴(III)(tri-(2，2’-bipyridyl)cobalt(III))以及三(2，2’-吡啶基)钌(II)(tris-(2，2’-bipyridyl)ruthenium(II))，pi电子受主选自由四氰基奎诺二甲烷(tetracyanoquinodimethane)、苯醌(benzoquinone)、四氯苯醌(tetrachlorobenzoquinone  )、四氟苯醌(tetraflurobenzoquinone)、四氰乙烯(tetracynaoethylene)、四氟-四氰醌甲烷(tetrafluoro-tertracyanoquinodimethane)、四氯对醌(chloranil)、四溴代对苯醌(bromanil)以及二氯二氰苯醌(dichlorodicyanobenzoquinone)构成的组。按照本专利技术的另一方面，提供一种碳纳米管FET器件。该器件包括栅极，沉积在栅极上的栅极介质，在栅极介质上包括碳纳米管的p掺杂的区域的沟道，其中p掺杂的区域通过采用单电子氧化剂的溶-->液处理掺杂而形成，在碳纳米管第一端上形成的源极，以及在碳纳米管第二端上形成的漏极。按照另一个方面，该器件包括在栅极介质的第一端上形成的源极、在栅极介质的第二端上形成的漏极，并且碳纳米管设置在栅极介质和源极和漏极之上。按照仍然另一个方面，该器件包括沉积在碳纳米管上的第二介质层；以及在第二介质层上形成顶部栅极。按照仍然另一个方面，该器件包括形成在碳纳米管第一掺杂端上的源极和形成在碳纳米管第二掺杂端上的漏极。按照本专利技术的另一方面，提供一种形成碳纳米管FET器件的方法。该方法包括提供栅极，在栅极上沉积栅极介质，在栅极介质上形成包括碳纳米管的p掺杂的区域的沟道，其中p掺杂的区域通过采用单电子氧化剂的溶液处理掺杂而形成，在碳纳米管的第一端上形成源极，以及在碳纳米管的第二端上形成漏极。按照该方法的另一方面，在栅极介质的第一端上形成源极，在栅极介质的第二端上形成漏极，并且碳纳米管被设置在栅极介质和源极和漏极上。按照该方法的仍然另一个方面，在碳纳米管上沉积第二介质层，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对碳纳米管掺杂的方法，包括：　　　　将碳纳米管暴露至溶液中的单电子氧化剂。

【技术特征摘要】
US 2004-3-2 60/549185;US 2005-2-11 11/056,4561.一种用于对碳纳米管掺杂的方法，包括：将碳纳米管暴露至溶液中的单电子氧化剂。2.根据权利要求1的方法，其中单电子氧化剂的浓度从大约0.01mM至大约20mM。3.根据权利要求2的方法，其中单电子氧化剂选自以下至少一种：有机单电子氧化剂、金属有机复合物、pi电子受主和银盐。4.根据权利要求3的方法，其中有机单电子氧化剂选自以下至少一种：三烷基氧六氯锑酸盐、五氯化锑、亚硝基盐、三乙基氧四氟硼酸盐、三(五氟苯基)硼烷以及亚硝基阳离子。5.根据权利要求3的方法，其中金属有机复合物包括以下至少一种：三(2，2’-吡啶基)钴(III)以及三(2，2’-吡啶基)钌(II)。6.根据权利要求3的方法，其中pi电子受主选自以下至少一种：四氰基对苯醌二甲烷、苯醌、四氯苯醌、四氟苯醌、四氰乙烯、四氟-四氰醌甲烷、四氯对醌、四溴代对苯醌以及二氯二氰苯醌。7.根据权利要求3的方法，其中银盐是氟化银。8.一种碳纳米管场效应晶体管器件，包括：栅极；沉积在栅极上的栅极介质；沉积在栅极介质上的碳纳米管，其中所述碳纳米管具有至少一个通过采用单电子氧化剂的溶液处理掺杂而形成的掺杂的区域；在碳纳米管第一端上形成的源极；以及在碳纳米管第二端上形成的漏极。9.根据权利要求8的碳纳米管场效应晶体管器件，其中所述至少一个掺杂的区域是p掺杂的区域。10.根据权利要求8的碳纳米管场效应晶体管器件，其中所述至少一个掺杂的区域用作场效应晶体管的沟道。11.根据权利要求8的碳纳米管场效应晶体管器件，还包括：沉积在所述碳纳米管上的介质层；以及沉积在该介质层上的顶部栅极。12.根据权利要求11的碳纳米管场效应晶体管器件，其中碳纳米管的所述至少一个掺杂的区域包括不与介质层、源极或漏极接触的掺杂的区域。13.根据权利要求8的碳纳米管场效应晶体管器件，其中所述至少一个掺杂的区域包括两个掺杂的区域，其中在所述掺杂的区域之一上沉积源极，在所述掺杂的区域的另一个上沉积漏极。14.一种碳纳米管场效应晶体管器件，包括：栅极；沉积在栅极上的栅极介质；在栅极介质第一端上方形成的源极；在栅极介质第二端上方形成的漏极；以及沉积在源极、漏极和栅极介质上的碳纳米管，其中所述整个碳纳米管通过采用单电子氧化剂的溶液处理掺杂来掺杂。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳，阿里阿夫扎里阿尔达卡尼，克里斯蒂安克林克，保罗M索罗门，费东阿沃里斯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]