碳纳米管式集成场效应管及其制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种使用碳纳米管能够实现场效应管的集成及其制备工艺；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；其制备工艺是将碳纳米管放置在绝缘层的栅极和电极上，制成集成场效应管；本发明专利技术的结构简单、易于制作和集成。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用一超长碳纳米管实现高密度集成场效应管的集成和其制备工艺。但是，随着半导体集成电路的技术不断发展，人们对电路的集成密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。本专利技术的目的还在于提供一种利用单根超长碳纳米管制备碳纳米管式集成场效应管的工艺。本专利技术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设有栅极和电极，一超长碳纳米管与栅极和电极接触，在一栅极的邻近两侧栅极上与一恒压相连，使该通恒压的栅极控制的碳纳米管截止，位于两个截止栅极之间的一个栅极和两个电极及碳纳米管形成集成的独立场效应管。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。所述的碳纳米管为单壁碳纳米管。本专利技术的目的还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，其制备工艺包括下述步骤(i)首先制备栅极，在绝缘层上采用光刻法使绝缘层上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层上刻蚀若干沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极；(ii)重复上述刻蚀方法，在绝缘层上沉积一贵金属导电层形成若干与栅极交替排列的电极；(iii)将一根超长的单壁碳纳米管平直放置在衬底绝缘层上，并与栅极和电极接触；(iv)在一栅极相邻两侧的两栅极上通一恒压，使该通恒压的栅极控制的碳纳米管截止，由其余的栅极和电极及碳纳米管形成集成的场效应管。所述的栅极和电极位于绝缘层的沟槽内，且栅极和电极的表面与绝缘层表面持平；所述绝缘层的厚度为35nm至100μm；绝缘层沟槽的深度为10nm至95μm。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。本专利技术的目的再可通过如下措施来实现一种碳纳米管式集成场效应管的制备工艺包括下述步骤(i)首先制备栅极，在衬底上设绝缘层，在绝缘层上采用光刻法使绝缘层上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极；(ii)将一根超长的单壁碳纳米管放置在衬底绝缘层上，并与栅极接触；(iii)在位于栅极之间的衬底绝缘层和碳纳米管上沉积若干电极，形成与栅极交替排列的电极；(iv)在一栅极相邻两侧的两栅极上通一恒压，使该通恒压的栅极控制的碳纳米管截止，由其余的栅极和电极及碳纳米管形成集成的场效应管。所述的栅极位于绝缘层的沟槽内，电极位于绝缘层和单壁碳纳米管之上；所述绝缘层的厚度为35nm至100μm；绝缘层沟槽的深度为10nm至95μm。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。衬底绝缘层和碳纳米管之上设电极，电极的高度为5nm至200μm本专利技术相比现有技术具有如下优点本专利技术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相互独立的场效应管，实现了场效应管的集成；本专利技术的集成场效应管的结构简单，且易于制作和集成。图3是本专利技术电路图；6-恒压源图4是本专利技术等效电路图；图5是本专利技术实施例结构图。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。选择一根直径为1nm、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专利技术的原理图4，说明本专利技术的工作原理。本专利技术选用导电性能为的超长单壁碳纳米管。这种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.)所以我们规定在本专利技术的电路中，1.2V为逻辑值“1”，0V为逻辑值“0”。由以上讨论我们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＝CVG，T(1)VG，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型碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）上相间排列栅极（２）和电极（３），一超长碳纳米管（１）与栅极（２）和电极（３）接触，在一栅极（２）的邻近两侧栅极（２）上与一恒压相连，使该通恒压的栅极（２）控制的碳纳米管截止，位于两个截止栅极之间的一个栅极（２）和两个电极（３）及碳纳米管（１）形成集成的独立场效应管。

【技术特征摘要】
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)上相间排列栅极(2)和电极(3)，一超长碳纳米管(1)与栅极(2)和电极(3)接触，在一栅极(2)的邻近两侧栅极(2)上与一恒压相连，使该通恒压的栅极(2)控制的碳纳米管截止，位于两个截止栅极之间的一个栅极(2)和两个电极(3)及碳纳米管(1)形成集成的独立场效应管。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上的绝缘层(4)的厚度为35nm至100μm。5.一种碳纳米管式集成场效应管的制备工艺，其特征在于包括下述步骤(i)首先制备栅极(2)，在衬底上设绝缘层(4)，在绝缘层(4)上采用光刻法使绝缘层(4)上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层(4)上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极(2)；(ii)重复上述刻蚀方法，在绝缘层(4)上沉积一导电层形成与栅极(2)相间排列的电极(3)；(iii)将一根超长的单壁碳纳米管(1)放置在衬底绝缘层(4)上，并与栅极(2)和电极(3)接触；(iv)在一栅极(2)的邻近两侧栅极(2)上通一恒压，使该通恒压的栅极(2)控制的碳纳米管(1)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。6.如权利要求5所述的碳纳米管式集成场效应管的的制备工艺，其特征在于栅极(2)和电极(3)位于绝缘层(4)的沟槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵继刚，王太宏，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]