專利名稱：碳納米管“或”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，特別是涉及一種碳納米管“或”門(mén)邏輯器件。
首先，高密度的集成器件工作時(shí)將散發(fā)出大量熱量。如果散熱問(wèn)題不能很好的解決，將極大地影響集成電路的性能和可靠性。其次，受半導(dǎo)體本身特性的限制，集成電路的運(yùn)算速度很難再有所提高。以N溝道增強(qiáng)性絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管為例，其本征延遲為111ps(本征延遲是指載流子通過(guò)溝道的輸運(yùn)所引起的大信號(hào)延遲，即溝道從零電荷充電到溝道穩(wěn)定電荷Qc所需要的時(shí)間。)。在一個(gè)很大的系統(tǒng)中，各個(gè)器件之間延遲的總和會(huì)達(dá)到微秒的數(shù)量級(jí)。所以，半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管本身的不足阻礙了電路速度的提高。再者，現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)是建立在光刻、離子滲透、摻雜等工藝之上的，隨著集成度的提高，對(duì)加工難度也在不斷提高。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù)由于光刻中受光的波長(zhǎng)的限制，對(duì)10nm以下的器件加工就已經(jīng)無(wú)能無(wú)力了。
正是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體器件在不久的將來(lái)已經(jīng)不能滿足需要，所以人們迫切地尋找一種半導(dǎo)體的替代品。這個(gè)替代品必須擁有半導(dǎo)體材料所不具有的特點(diǎn)，以克服半導(dǎo)體的種種缺陷。納米材料的出現(xiàn)為新一代電子器件的發(fā)展展開(kāi)了一條新的道路。以碳納米管和各種半導(dǎo)體納米線為代表的納米材料以其特有的優(yōu)點(diǎn)吸引著人們的注意。納米材料優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)使其成為下一代電子器件的首選。
在各種納米電子器件的研究中，以碳納米管為基礎(chǔ)的器件是各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。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)于1998年制作出碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管。這種碳納米管場(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)管是集成電路的基礎(chǔ)單元，所以碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)是向納米級(jí)邏輯電路邁出了重要的一步。在碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)之上，Adrian Bachtold等人(《科學(xué)》SCIENCE，2001，294，1317.)又成功研制出在室溫下工作的碳納米管邏輯“或否”電路。這種邏輯電路由兩個(gè)碳納米管組成，通過(guò)碳納米管下面的柵極控制碳納米管的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能。其電路原理圖如

圖1。同時(shí)，Yu Huang等人(《科學(xué)》SCIENCE，2001，294，1313.)也制作出以半導(dǎo)體納米線為基礎(chǔ)的邏輯“或”電路。其原理圖如圖2所示。圖中8為N型GaN納米線，7為P型Si納米線，3、4、5為金屬電極，4、5為輸入端電極，3為輸出端電極。其工作原理是摻雜類(lèi)型為P型和N型的半導(dǎo)體納米線相互交叉接觸，從而在接觸點(diǎn)形成P-N結(jié)，利用P-N結(jié)的電學(xué)特性實(shí)現(xiàn)電路的邏輯功能。
以上介紹的兩種邏輯電路在室溫下均有良好的表現(xiàn)，性能穩(wěn)定，可靠性高。但是，我們也看到這兩種電路存在的不足。首先，在碳納米管邏輯門(mén)器件中有電阻、連線和柵極等結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用何種形式的線路設(shè)計(jì)將這些結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)是第一個(gè)要解決的問(wèn)題。其次，碳納米管邏輯器件和納米線邏輯電路均采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的碳納米管或納米線構(gòu)成，這就給器件的加工制作帶來(lái)了很大的難度。眾所周知在納米加工技術(shù)中，碳納米管和半導(dǎo)體納米線等納米材料的定位一直是納米技術(shù)中關(guān)鍵的問(wèn)題。因?yàn)樘技{米管和納米線等納米直徑很小，一般在幾個(gè)納米，所以準(zhǔn)確定位非常困難?，F(xiàn)階段，實(shí)驗(yàn)室一般使用一些特殊的方法才能解決定位問(wèn)題。如使用STM(掃描隧道顯微鏡)或者AFM(原子力顯微鏡)對(duì)單個(gè)納米管或者納米線進(jìn)行操控，將其拖拉到需要的位置；再者就是使用“隨機(jī)取向法”將納米管或納米線放置到位。在以上兩種器件中，均采用兩個(gè)以上的碳納米管和半導(dǎo)體納米線。尤其是納米線邏輯“或”門(mén)器件，在器件中采用三條納米線交叉排列，并且還要保持納米線之間良好的接觸。這就為器件制作帶來(lái)了極大的難度。器件制作難度的增大將很大程度上影響器件制作的效率和器件的性能。
本實(shí)用新型的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型提供的一種碳納米管邏輯“或”門(mén)邏輯器件，包括襯底、絕緣層、碳納米管、柵極、電極及電阻，在襯底設(shè)絕緣層；其特征在于在絕緣層上設(shè)兩柵極，在兩柵極兩側(cè)的絕緣層上設(shè)兩電極，并且兩柵極與兩電極、平行排列；一碳納米管垂直放置在襯底的絕緣層上，它與柵極和電極相接觸；兩電極中的一電極接地，另一電極通過(guò)電阻與一恒壓相連。
所述的襯底絕緣層的厚度為35nm至100μm。
所述的柵極和電極的寬度為10nm至50μm。
所述的柵極與柵極及柵極與相鄰電極之間的距離為5nm至100μm。
所述的電極置于碳納米管之下，或置于碳納米管之上。所述的電極設(shè)置于襯底絕緣層和碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm。由貴金屬沉積制備的電極設(shè)置于碳納米管之下，位于兩柵極兩側(cè)的絕緣層中的溝槽內(nèi)。
在柵極絕緣層厚度為1nm至5nm。
所述的絕緣層上的溝槽深度為10nm至95μm。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型與已有的“或”門(mén)相比，使用較為普遍的單壁碳納米管，從材料上降低了器件制作的難度；在結(jié)構(gòu)上，只使用一根單壁碳納米管就可以實(shí)現(xiàn)功能，并且首次使用了雙柵結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，極大地減小了柵極面積，從工藝上進(jìn)一步降低了器件的制作難度。
(4)選取一根直徑為1nm、長(zhǎng)度為400nm，單壁碳納米管1，其載流子濃度為9×106cm-1。用原子力顯微鏡將其置于整個(gè)器件之上。要求碳納米管放置沒(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。器件封裝后，電極3連接電阻6和恒壓源9，電極2接地，完成器件的制作。器件的截面圖如圖5。
下面結(jié)合碳納米管的電學(xué)性質(zhì)和本實(shí)用新型的原理圖3，說(shuō)明本實(shí)用新型的工作原理。
本實(shí)用新型選用的碳納米管為單壁碳納米管。這種碳納米管的載流子為空穴，在常溫下電阻約為幾百個(gè)KΩ。在柵極上加一正偏壓，碳納米管1的載流子濃度將減小。當(dāng)此正偏壓增大到一定程度時(shí)，載流子—空穴將被完全耗盡，此時(shí)碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管和邏輯電路正是利用了碳納米管這一電學(xué)特性。
在數(shù)字邏輯器件的設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題之一就是統(tǒng)一電路中的的邏輯值。即在整個(gè)邏輯電路范圍內(nèi)必須規(guī)定統(tǒng)一的電壓值為邏輯“1”和邏輯“0”，電路的每一個(gè)器件的輸入值和輸出值只能存在兩個(gè)值，這樣才符合數(shù)字邏輯器件的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)。而以往的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管柵極的控制電壓和源漏電極的輸入電壓不統(tǒng)一。在柵極的絕緣層厚度為140nm時(shí)，將碳納米管耗盡時(shí)柵極的電壓一般在6V左右，而源漏極輸入電壓一般不小于1.5V。若源漏極間電壓大于1.5V，碳納米管1中的電子會(huì)因?yàn)楂@得了足夠的能量而沖過(guò)柵極偏壓所形成的勢(shì)壘到達(dá)漏極，從而使碳納米管再次進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。為了統(tǒng)一電壓值，就要降低柵極的耗盡電壓。方法之一就是減小柵極絕緣層的厚度，以增大柵極電壓的作用效果。
我們通過(guò)下面的計(jì)算確定柵極絕緣層的厚度。
已知，碳納米管1與柵極4、5之間的截?cái)嚯妷捍嬖谙铝嘘P(guān)系Q＝CVG，T(1)VG，T為截?cái)嚯妷海琎為載流子所帶電荷，C為碳納米管1和柵極4、5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(kù)侖；L為碳納米管1與柵極4、5接觸部分的長(zhǎng)度。
又知碳納米管1與柵極4、5之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h為碳納米管1與柵極4、5之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為碳納米管1半徑；ε是介電常數(shù)，在這里我們?nèi)ˇ牛?.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)用新型選擇半徑為0.8nm，載流子濃度約為9×106cm-1單壁碳納米管。同時(shí)選取Y0為+1.2V，即在本數(shù)字邏輯電路中+1.2V即為邏輯“1”。將1.2V作為柵極4、5截止電壓VG、T帶入公式(4)中，可得h≈3nm。當(dāng)柵極4、5絕緣層厚度為3nm時(shí)，1.2V的柵極4、5電壓就可以讓碳米管處于截止?fàn)顟B(tài)。同時(shí)，通過(guò)前面對(duì)碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)的討論也可以知道，若此時(shí)在碳納米管1兩端加1.2V的電壓將不改變碳納米管的截止?fàn)顟B(tài)。這樣就統(tǒng)一了電路中的電壓值，因此我們可以在此規(guī)定電壓值+1.2V為邏輯值“1”，電壓值0V為邏輯“0”。
器件的工作原理參照?qǐng)D3，當(dāng)兩輸入端4、5的輸入均為0V，即邏輯值“0”時(shí)，碳納米管1處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)輸出端3沒(méi)有電勢(shì)差，所以輸出端3輸出電壓為0V，即為邏輯值“0”；當(dāng)兩輸入端4、5中的任一個(gè)或者兩個(gè)輸入均為1.2V，即邏輯值“1”時(shí)，碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，輸出端3與恒壓源9有相同的電勢(shì)。因?yàn)楹銐涸?電壓為+1.2V，所以輸出端此時(shí)輸出電壓也為+1.2V，即邏輯值“1”。這樣，通過(guò)柵壓改變碳納米管的導(dǎo)通狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)邏輯“或”運(yùn)算。本實(shí)用新型的電路邏輯真值表如表1所示。

實(shí)施例2按圖6制作本實(shí)用新型的另一種碳納米管雙柵結(jié)構(gòu)的“或”門(mén)邏輯器件。
選取(001)取向的硅作為襯底11。利用有機(jī)氣相沉積方法(PECVD)，在襯底11上制備300nm厚的SiO2層10。首先制作柵極4、5在SiO2絕緣層10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50nm的溝槽。使用干法刻蝕法刻蝕沒(méi)有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層上形成兩條寬30nm，深30nm的溝槽。利用電子束蒸發(fā)的方法，在整個(gè)器件表面沉積一層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A12O3絕緣層。這樣就完成了柵極4、5的制備。選取一根直徑為1nm、長(zhǎng)度為400nm，單壁碳納米管1，其載流子濃度為9×106cm-1。用原子力顯微鏡將其置于整個(gè)器件之上。要求兩個(gè)柵極4、5基本處于碳納米管1中間的位置，碳納米管1放置平直，方向基本與電極和柵極4、5方向垂直，并且碳納米管1要與柵極4、5接觸良好。碳納米管1放置到位后，用聚焦離子束(FIB)方法在柵極4、5兩側(cè)、距兩個(gè)柵極50nm的位置，制備兩個(gè)寬度為0.1μm、高度為50nm的金電極2、3。兩電極方向與柵極平行。器件封裝完畢后，電極3連接電阻6和恒壓源9，電極2接地，完成器件的制作。
在此，電阻6的電阻值應(yīng)大約為幾個(gè)MΩ。恒壓源9電壓應(yīng)為Y0，此偏壓應(yīng)為本邏輯器件規(guī)定的邏輯值“1”。
其制作工藝中的關(guān)鍵是制作盡可能薄的并且絕緣性良好的柵極絕緣層。減小絕緣層的厚度可以進(jìn)一步降低柵壓，提高邏輯器件的性能和可靠性。
權(quán)利要求1.一種碳納米管“或”門(mén)邏輯器件，包括襯底(11)、絕緣層(10)、碳納米管(1)、柵極(4)、(5)、電極(2)、(3)及電阻(6)，在襯底(11)上設(shè)絕緣層(10)；其特征在于在絕緣層(10)上設(shè)兩柵極(4)、(5)，在兩柵極(4)、(5)兩側(cè)的絕緣層(10)上設(shè)兩電極(2)、(3)，并且兩柵極(4)、(5)與兩電極(2)、(3)平行排列；一碳納米管(1)垂直放置在襯底(11)的絕緣層(10)上，它與柵極(4)、(5)和電極(2)、(3)相接觸；兩電極(2)、(3)中的一電極(2)接地，另一電極(3)通過(guò)電阻(6)與一恒壓(9)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管“或”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的絕緣層(10)的厚度為35nm至100μm。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管“或”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的柵極(4)、(5)和電極(2)、(3)的寬度為10nm至50μm。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管“或”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的柵極與柵極及柵極與相鄰電極之間的距離為5nm至100μm。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管“或”門(mén)邏輯器件，其特征在于所述的電極(2)、(3)置于碳納米管(1)之下，或置于碳納米管(1)之上。
6.如權(quán)利要求5所述的碳納米管邏輯“或”門(mén)器件，其特征在于所述的電極(2)、(3)設(shè)置于襯底絕緣層(10)和碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm。
7.如權(quán)利要求5所述的碳納米管邏輯“或”門(mén)器件，其特征在于由貴金屬沉積制備的電極(2)、(3)設(shè)置于碳納米管之下，位于兩柵極兩側(cè)的絕緣層中的溝槽內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種碳納米管“或”門(mén)邏輯器件；該器件包括襯底、在襯底上設(shè)一絕緣層、碳納米管、柵極、電極及電阻；其特征在于在絕緣層上的溝槽內(nèi)設(shè)兩柵極，在兩柵極兩側(cè)的絕緣層上的溝槽內(nèi)設(shè)兩電極；一碳納米管垂直于柵極和電極放置在絕緣層上，并與柵極和電極相接觸；兩電極中的一電極接地，另一電極通過(guò)電阻與一恒壓相連。利用兩個(gè)柵極控制碳納米管截止或?qū)?，從而?shí)現(xiàn)邏輯“或”功能；與其他碳納米管邏輯電路相比，本實(shí)用新型邏輯“或”門(mén)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于制作和集成。
文檔編號(hào)H03K19/20GK2567779SQ0223961
公開(kāi)日2003年8月20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