一种基于半导体纳米材料的纳电子器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于半导体纳米材料的纳电子器件及其制备方法。采用低功函数的金属钇作为接触电极材料，通过微加工技术使金属钇直接与一维半导体纳米材料的导带形成欧姆接触，由此可得到高性能的电子型场效应晶体管和其他以半导体纳米材料为基的纳电子器件，包括二极管、生物及化学传感器件等。本发明专利技术大大降低了ｎ型器件和电路的加工成本，提高了器件的性能，对推动纳电子器件的实用化进程具有非常重要的意义，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳电子器件领域，尤其涉及一种以半导体纳米材料特别是碳纳米管 为基的纳电子器件，以及实现半导体纳米材料与金属电极之间高性能n型接触的方法。
技术介绍
纳电子器件的研究是当今纳米科学技术中最为重要的领域。 一维或者准一维半 导体纳米材料具有独特的电学特性和光学特性，尤其是以碳纳米管为代表的半导体纳米 材料以其独特的电学性能被认为是最有希望的纳电子器件的构建材料之一。迄今为止， 用半导体纳米材料如碳纳米管构建的各种纳电子器件如场效应晶体管(FET)、 二极管、逻 辑运算电路、振荡器、解码器、红外发光器件、光探测器、生物以及化学传感器等已经 成功研制，单个器件的性能在许多方面已经超过目前的硅基微电子器件。使得纳米碳管 为代表的纳米电子器件的应用前景非常乐观。尤其是世界顶级的大公司如IBM， Intel等 的加大研究投入更加进一步促进了纳电子器件的实用化进程。 与硅基器件不同的是，包括碳纳米管在内的一维或者准一维纳米材料为基的各 种纳电子器件中与纳米材料接触所采用的源漏电极都是金属电极，这是由纳米材料的一 维特性决定的。因此碳纳米管器件加工中都不可避免的涉及到碳纳米管与外部电极、以 及各碳纳米管之间的连接问题。目前广泛采用的是用不同功函数的金属电极连接，即采 用各种微加工的方法选择适当的金属材料把碳纳米管连接起来构建成纳电子器件。目前 采用金属钯(Palladium, Pd)已经实现了与碳纳米管的p型高性能接触。采用Pd做接触电极的碳纳米 管场效应晶体管不仅可以获得欧姆接触，而且可以实现载流子的弹道输运，部分性能已 经远远超过了目前基于硅技术的p型金属氧化物半导体FET。众所周知，作为逻辑电路基 本单元的CMOS同时需要p型和n型FET。尽管弹道输运的p-型碳纳米管FET已经成功实 现，但n型碳纳米管FET的研究还远远落后于p型FET。目前用来制备n型碳纳米管FET 的方法主要有两种， 一种是采用低功函数的金属(如Al， Mg， Ca)作为电极材料来实现金属与碳纳米管的n 型接触，另外一种是对碳纳米管本身进行电子型掺杂从而实现n型器件。 但是，第一 种方法所报道的结果的n型器件的性能一般较差，开关电流比和开态电流值都比较小， 主要是所用的低功函数的金属并未与碳纳米管形成很好的欧姆接触， 一方面可能是金属 与碳纳米管的浸润性不好，金属镀层不能与碳纳米管形成很好的物理接触，另一方面大 多数低功函数金属本身化学活性较高，在金属表面很容易形成氧化物层( 一般的功函数较 高)，这些带有氧化物的金属靶材在镀膜工艺中容易形成化合物掺杂的金属接触，或者在 镀膜工艺中真空度不高带来的金属原子氧化也会导致难以形成高性能的n型接触。所以 普遍认为认为很难采用低功函数的金属作为接触电极来实现碳纳米管的欧姆接触的n型器件。第二种方法虽然可以得到性能较好的n型器件，由于碳管没有悬挂键，并且钾等 高化学活性的掺杂并不稳定，器件必须处于一定的化学环境中才行，当环境(如温度、气 氛)发生变化时器件的性能随之变化，实用性较差。因此，如何实现碳纳米管与金属电 极间的高性能的n型接触已经成了限制纳电子器件实用化的重要因素。中国专利技术专利ZL 200710090362.4采用金属钪(Scandium, Sc)作为电极材料制备出了性能接近理论极限的 碳纳米管n型场效应晶体管。但由于金属钪的产量相对较低，导致成本较高，约为金的 价格的5倍左右，难以在工业界大规模应用。因此需要寻求既能与碳纳米管形成高性能 n型接触，又在价格方面比较偏低的金属材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供， 一方面要能够使纳米材料与金属电极之间形成高性能的n型接触，另一方面又要使器件 的制作成本降低。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案 —种基于半导体纳米材料的纳电子器件，包括一维半导体纳米材料和与之直接接触的金属电极，其特征在于，所述金属电极为钇(Yttrium, Y)电极。 采用金属钇作为接触电极，能够与一维半导体纳米材料的导带形成欧姆接触，使器件的性能达到最佳。 在上述纳电子器件中，所述一维半导体纳米材料优选为碳纳米管。 所述纳电子器件可以是电子型场效应晶体管(n型FET器件)，也可以是其他各种 高性能的纳电子器件，包括二极管、发光器件、光探测器、生物及化学传感器件等等。 其中，n型FET以一维的半导体纳米材料为导电通道，采用低功函数的钇金属作为源漏电 极材料与一维半导体纳米材料建立起欧姆接触电极联系。 本专利技术的纳电子器件的制备方法简单易行，以金属钇作为接触电极材料，通过 各种微加工技术，在金属钇与一维半导体纳米材料之间建立电极连接，二者直接连接即 可实现高性能的n型接触。常用微加工技术例如 通过光刻(电子束或光学光刻)在一维半导体纳米材料上形成所需电极的图案形 状，再蒸镀一层金属Y，然后剥离去除不需要的金属层，即在金属钇与半导体纳米材料 之间建立了电极连接。 利用上述的蒸镀方法制作Y电极时，优选在高真空环境中进行蒸镀，例如抽真 空至气压《3X 10-8Torr，更优选气压< 1 X l()-8Torr。 进一步的，在蒸镀前将金属Y靶材的表面用酸进行处理，能够去掉金属表面 的氧化物，或者在蒸镀金属过程中先将金属表面的氧化层蒸发掉，再进行正式样品的蒸 镀，可使器件的电极是由较纯的金属Y构成。 下面，本专利技术的特点和原理将主要通过基于碳纳米管的n型FET器件来阐述， 但其应用范围并不局限于碳纳米管，基本的工作原理对于其他基于一维半导体纳米材料 的n型器件同样适用。 本专利技术所涉及的纳电子器件的导电通道是本征型的碳纳米管或其他一维半导体 纳米材料，n型欧姆接触的实现并不需要对这个导电通道进行掺杂。理论上，低功函数的金属可以形成n型器件。能够实现n型欧姆接触的机理是由于碳纳米管的一维特性， 金属与半导体型碳纳米管接触时没有费米面钉扎效应，从而二者接触形成的Schottky势 垒高度主要由碳纳米管和金属材料的功函数差决定。碳纳米管的费米能级为4.5eV，直径 1.5nm的单壁碳纳米管的能隙约0.6eV，因此碳纳米管的导带底约为4.2eV。为实现n型 接触必须选择功函数低于4.5eV的金属材料做电极。对于大部分低功函数金属而言，虽 然功函数较低，例如Al(4.3eV)， Mg(3.60eV)和Ca(2.87eV)，但它们在空气中容易氧化， 一般的，低功函数金属的氧化物的功函数会明显高于金属本身，从而导致Schottky势垒 的升高。另外，许多低功函数金属与碳纳米管的浸润性也不好，这些都导致它们难以与 碳纳米管形成高性能的n型接触。 对于金属钇(Y)而言，其功函数为3.1eV(〈4.2eV)，并且在空气中也比较稳定， 同时Y与碳纳米管的浸润性能也比较好，金属Y能在碳纳米管表面形成完整的包裹，确 保了Y与碳纳米管能够形成很好的物理接触。同时，为了确保Y电极在制备过程中能 够保持原有特性以获得高性能的n型接触，蒸镀方法制备Y电极时需要在高真空的条件 下(例如抽真空至气压《3X10-8Torr)进行。 一般的，我们采用块状的金属Y在高真空环 境(气压《3 X 10-8Torr)下蒸镀，减小在蒸镀过程中高温条件下真空度不够可能导致的金属 Y原子氧化。进一步的，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半导体纳米材料的纳电子器件，包括一维半导体纳米材料和与之直接接触的金属电极，其特征在于，所述金属电极为钇电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜，张志勇，彭练矛，丁力，梁学磊，陈清，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[]