專利名稱：利用碳納米管制作的邏輯“非”門器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種邏輯器件，特別涉及一種以碳納米管為基礎(chǔ)的邏輯“非”門器件。
2001年，Adrian Bachtold等人制作出以碳納米管為基礎(chǔ)的邏輯“非”門。其在室溫下工作，有良好的電學特性。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比有尺寸小、速度快等突出的優(yōu)點。但是，Adrian Bachtold等人的碳納米管邏輯“非”門使用的是一種導(dǎo)電性質(zhì)比較特殊的碳納米管。這種碳納米管在柵極不加偏壓的情況下處于不導(dǎo)通狀態(tài)；在柵極偏壓增大到一定程度的情況下，碳納米管處于導(dǎo)通的狀態(tài)。這樣就要求碳納米管的柵極要作用與整個碳納米管，所以要求柵極有比較大的面積。這就為電路的設(shè)計和制作帶來了困難。
本發(fā)明提供的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，包括一Si襯底，該襯底上有一SiO2絕緣層，在Si襯底上設(shè)置單壁碳納米管、一個柵極和電極；其特征在于所述的柵極位于Si襯底上SiO2絕緣層中的一條溝槽之中沉積的Al，并經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層組成；所述的電極包括兩個平行于柵極設(shè)置在柵極兩側(cè)，該電極設(shè)置在單壁碳納米管之下或位于單壁碳納米管之上；一根單壁碳納米管放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面和電極的貴金屬層表面相接觸，第一電極聯(lián)接恒壓源，柵極為輸入端。
所述的兩個獨立的電極設(shè)置在單壁碳納米管之下是在Si襯底的SiO2絕緣層中的兩條溝槽之中沉積貴金屬層做成，貴金屬包括金和鉑金。
所述的碳納米管是一根半導(dǎo)體性的單壁碳納米管。
所述的電極設(shè)置在SiO2絕緣層和單壁碳納米管兩端上各覆蓋一條貴金屬層。
所述的碳納米管放置在SiO2絕緣層上的方向是與一個柵極、兩個獨立電極是垂直放置的，并且碳納米管平直放置。
所述的Si襯底之上的SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；位于襯底上絕緣層中的一個柵極和兩個電極的溝槽深度在10nm至95μm之間，其中柵極寬度在10nm至50μm之間；電極寬度在5nm至50μm之間；柵極與電極之間的距離在5nm至l00μm之間。
所述的柵極的Al2O3絕緣層厚度在1納米至5納米之間。
所述的柵極的上表面與襯底的絕緣層上表面持平。
所述的電極的上表面與SiO2絕緣層的上表面持平。
本發(fā)明電路的制作過程是先在絕緣SiO2襯底上腐蝕出用于沉積金屬的3道溝槽，再分別將Al和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電極氧化，形成Al2O3絕緣層。最后再將碳納米管放置在電極和柵極之上，并且要確保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碳納米管處于一平面結(jié)構(gòu)上，以避免因碳納米管彎曲而形成隧穿結(jié)而影響器件性能。
本發(fā)明與已有的碳納米管“非”門相比，使用了較為普遍的單壁碳納米管，降低了器件的制作難度；在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明極大地減小了柵極的面積，使器件的結(jié)構(gòu)更趨于合理，更加易于制作，易于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。并且通過本發(fā)明簡單的器件就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的復(fù)雜的邏輯電路相同的功能。由于選用的碳納米管有良好的電學性質(zhì)，所以本發(fā)明不需要大面積的柵極，這在很大程度上簡化了器件的制作，使器件體積變小。且本發(fā)明選用的碳納米管較為普遍，材料易于實現(xiàn)。
圖中標示l、碳納米管；2、電阻；3、第一電極；4、柵極；5、恒壓源；6、第二電極；7、SiO2層；8、Si襯底。
器件完成后，整個器件的外觀應(yīng)由兩個電極和一個柵極組成(參見圖3)。為了避免碳納米管彎曲產(chǎn)生隧穿結(jié)，電極和柵極都應(yīng)和SiO2層持平，碳納米管放置于柵極和電極之上。
Adrian Bachtold等人制作的碳納米管“非”門的結(jié)構(gòu)原理圖如

圖1所示。從原理圖中可以看出，當柵極4輸入為邏輯“0”時，即碳納米管處于截止狀態(tài)時，輸出端3輸出邏輯值“1”；而當柵極4輸入為“1”時，其控制的納米管就會處在導(dǎo)通狀態(tài)，這時輸出端3就為“0”。
本發(fā)明選用導(dǎo)電性能為半導(dǎo)體性的單壁碳納米管。這種半導(dǎo)體性的單壁碳納米管的性質(zhì)與以上介紹的Adrian Bachtold等人制作的碳納米管“非”門中的碳納米管的性質(zhì)相反在常溫下有較好的導(dǎo)電性，其電阻一般為幾百個kΩ。通過實驗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。柵壓增大到一定值時，碳納米管將處于截止狀態(tài)。
下面結(jié)合碳納米管的電學性質(zhì)和本發(fā)明的原理圖2，說明本發(fā)明的工作原理。
直徑為1nm的單壁碳納米管，在常溫下電阻一般為幾個KΩ。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、柵極電壓在6V左右的情況下，碳納米管中的空穴將被完全耗盡，碳納米管處于截止狀態(tài)。同時，本發(fā)明可知此時，若保持碳納米管的截止狀態(tài)，在碳納米管兩端所加的偏壓應(yīng)不大于1.5V。所以本發(fā)明規(guī)定在本發(fā)明的電路中，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)遵守這個規(guī)定，這樣才能夠保證電路結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、計算可靠。除了碳納米管兩端的輸入端和輸出端要遵守這個規(guī)定之外，控制碳納米管的柵極也必須遵守這個規(guī)定。
由以上討論本發(fā)明可知在柵極絕緣層厚度為140nm時，柵極的耗盡電壓為6V。本發(fā)明通過下面的計算確定，柵極的耗盡電壓為1.2V時，柵極絕緣層的厚度。
已知，碳納米管與柵極之間的截斷電壓存在下列關(guān)系Q＝CVG，T(1)VG，T為截斷電壓，Q為載流子所帶電荷，C為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型碳納米管中載流子為空穴，所以這里e＝+1.6×10-19庫侖；L為碳納米管與柵極接觸部分的長度。
又知碳納米管與柵極之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h為碳納米管與柵極之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為碳納米管直徑；ε是介電常數(shù)，在這里本發(fā)明取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)]]>本發(fā)明選擇載流子濃度為9×106cm-1的P型碳納米管碳納米管直徑為1nm，截止電壓為1.2V。帶入公式(4)可得h≈3nm。即在本發(fā)明中，當Al2O3絕緣層厚度不大于3nm的情況下，碳納米管處于截止狀態(tài)。
本發(fā)明是利用了碳納米管的柵極控制碳納米管的導(dǎo)通狀態(tài)實現(xiàn)輸出值與輸入值相反的功能的。電極6連接恒壓源5，恒壓源電壓為1.2V。柵極4為輸入端。當輸入端4輸入邏輯值“1”，即電壓1.2V時，碳納米管在柵極的作用下處于不導(dǎo)通的狀態(tài)。輸出端3輸出為0V，即邏輯值“0”；同理當柵極4輸入為邏輯值“0”，即電壓0V時，碳納米管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端3電壓與恒壓源電壓相同，為1.2V，即邏輯值“1”。這樣，本發(fā)明就實現(xiàn)了輸出端和輸入端邏輯值的翻轉(zhuǎn)。本發(fā)明的真值表如表1所示。
表1

實施例2參照圖2和圖4制作一具有兩個獨立電極是位于單壁碳納米管和SiO2絕緣層表面之上結(jié)構(gòu)的碳納米管“非”門邏輯器件。
選用(001)取向的硅作為襯底8。利用有機氣相沉積方(PECVD)，形成300nm厚的SiO2層7，在SiO2絕緣層之上均勻覆蓋厚度為80nm的電子光刻膠(PMMA)，光刻膠曝光后，在光刻膠中形成一條寬30nm的溝槽；使用干法刻蝕，在光刻膠暴露出的SiO2絕緣層上刻蝕出寬30nm，深30nm的溝槽。利用電子束蒸發(fā)方法，在表面沉積一層30nm厚的Al。經(jīng)剝離、清洗后，再利用本征氧化法，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3絕緣層，這樣就制備了柵極4。選擇一根直徑1nm、長度為400nm的單壁碳納米管1，利用原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)將其放置于兩個柵極之上。要求兩個柵極應(yīng)大約處于碳納米管的中間位置，兩柵極與碳納米管接觸良好，并且碳納米管沒有彎曲，方向與兩柵極垂直。碳納米管放置到位后，在兩個柵極的外側(cè)50nm的位置，用聚焦離子束(FIB)方法在碳納米管之上制備兩個寬度為0.1μm、高度為200nm的金電極3、6。連接恒壓源5，最后完成器件的封裝。
封裝完畢后，器件的整體外形應(yīng)是由一個與SiO2層持平的柵極和兩個置于SiO2層之上的電極組成(參見圖4)。碳納米管放于柵極之上，兩端由兩個電極固定。
權(quán)利要求
1.一種利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，包括一Si襯底，該襯底上有一SiO2絕緣層，在Si襯底上設(shè)置單壁碳納米管、一個柵極和電極；其特征在于所述的柵極位于Si襯底上SiO2絕緣層中的一條溝槽之中沉積的Al，并經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層組成；所述的電極包括兩個平行于柵極設(shè)置在柵極兩側(cè)，該電極設(shè)置在單壁碳納米管之下或位于單壁碳納米管之上；一根單壁碳納米管放置在SiO2絕緣層的表面上，與柵極的Al2O3絕緣層表面和電極的貴金屬層表面相接觸，第一電極聯(lián)接恒壓源，柵極為輸入端。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的兩個獨立電極是在單壁碳納米管兩端上面各覆蓋一條貴金屬層，所述的貴金屬包括金和鉑金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的兩個獨立電極在Si襯底上SiO2絕緣層中的兩條溝槽之中沉積貴金屬層做成，所述的貴金屬包括金和鉑金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的柵極的Al2O3絕緣層厚度在1納米至5納米之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的Si襯底之上的SiO2絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；位于襯底上絕緣層中的一個柵極和兩個電極的溝槽深度在10nm至95μm之間，其中柵極寬度在10nm至50μm之間；電極寬度在5nm至50μm之間；柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的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1或2或3所述的利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，其特征在于所述的電極的上表面與SiO2絕緣層的上表面持平。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用碳納米管制作的“非”門邏輯器件，該邏輯器件包括一Si襯底，該襯底上有一SiO
文檔編號H03K19/20GK1466217SQ0212386
公開日2004年1月7日 申請日期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 申請人:中國科學院物理研究所