專利名稱：一種碳納米管納電子器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子學領(lǐng)域，特別涉及一種以碳納米管為基的納電子器件，以及實現(xiàn)碳 納米管與金屬電極間高性能接觸的方法。
背景技術(shù)：
納電子器件的研究是當今納米科學技術(shù)中最為重要的領(lǐng)域。碳納米管以其獨特的電學 性能被認為是最有希望的納電子器件的構(gòu)建材料。用碳納米管構(gòu)建的各種納電子器件如場 效應(yīng)晶體管、邏輯運算電路、振蕩器、生物以及化學傳感器等已經(jīng)被廣泛地研究，器件的 性能在許多方面已經(jīng)超過目前的微電子器件。這些都大大地促進了納電子器件的實用化進程。以碳納米管為基的各種納電子器件中都不可避免地涉及到碳納米管與外部電極、以及 各碳納米管之間的連接問題。目前廣泛采用的是用金屬連接，即采用各種微加工的方法選 擇適當?shù)慕饘俨牧习烟技{米管連接起來構(gòu)建成納電子器件。目前采用金屬鈀(Palladium, Pd)已經(jīng)實現(xiàn)了與碳納米管的p型高性能接觸[A. Javey， J. Guo, Q. Wang, M. Lundstrom, H. Dai， Nature, 424, 654(2003)]。采用Pd做接觸電極的碳納米管場效應(yīng)晶體管不僅可以獲得歐 姆接觸，而且可以實現(xiàn)載流子的彈道輸運，部分性能已經(jīng)遠遠超過了目前基于硅技術(shù)的的 p型MOSFET。眾所周知，作為邏輯電路基本單元的CMOS同時需要p型和n型場效應(yīng)晶體管。 盡管p-型碳納米管場效應(yīng)晶體管己經(jīng)制備得很好，但n型碳納米管場效應(yīng)晶體管的研究還遠' 遠落后于p型器件。目前用來制備n型碳納米管場效應(yīng)晶體管的方法主要有兩種， 一種是來 用低功函數(shù)的金屬(如A1， Mg, Ca) [Y. Nosho， Y. Ohno， S. Kishimoto, T. Mizutani， Nanotechnology, 17, 3412(2006)， Ali Javey， Qian Wang, Woong Kim, and Hongjie Dai， IEEE IEDM2003]作為電極材料來實現(xiàn)金屬與碳納米管的n型接觸，一種是對碳納米管本身進行電 子型摻雜從而實現(xiàn)n型器件[A. Javey, R. Tu， D. B. Farmer, J. Guo, R. G. Gordon, and H. Dai， Nano Lett, 5, 345(2005)]。但是，第一種方法得到的n型器件的性能較差，開關(guān)電流比和開 態(tài)電流值都比較小。第二種方法雖然可以得到性能較好的n型器件，但是摻雜并不穩(wěn)定， 器件必須處于一定的化學環(huán)境中才行，當環(huán)境(如溫度、氣氛)發(fā)生變化時器件的性能隨 之變化，實用性較差。因此，如何實現(xiàn)碳納米管與金屬電極間的高性能的n型接觸已經(jīng)成 了限制納電子器件實用化的重要因素。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有高性能接觸的碳納米管納電子器件，以及能夠簡單方 便地實現(xiàn)碳納米管與金屬形成高性能的接觸的方法。本發(fā)明的以碳納米管為基的納電子器件采用金屬鈧(Scandium, Sc)作為與碳納米管 連接的電極。通過各種微加工技術(shù)，把金屬鈧與碳納米管連接起來即可實現(xiàn)高性能的接觸。常用微 加工技術(shù)例如1、 通過光刻(電子束或光學光刻)在碳納米管周圍形成電極的形狀，再蒸鍍一層金 屬Sc,然后剝離(lift off)去除不需要的金屬層，這樣就在金屬鈧與碳納米管之間建立了 電極連接。2、 利用納米探針操縱系統(tǒng)，在掃描電鏡(SEM)或透射電鏡(TEM)中，用金屬鈧 做探針的針尖，直接接觸到碳納米管的兩端，建立電極連接。3、 在事先加工好的金屬鈧電極對上加交流電壓，把分散好的碳納米管的溶液滴到電 極對上，利用電泳的原理，在交流電壓的誘導下把碳管排列到鈧電極上，建立電極連接。本發(fā)明的方法簡單實用，其能夠?qū)崿F(xiàn)n型接觸的機理是由于碳納米管的準一維特性， 金屬與半導體型碳納米管接觸時沒有費米面釘扎效應(yīng)，從而二者接觸形成的Schottky勢壘 高度主要由碳納米管和金屬材料的功函數(shù)差決定。碳納米管的費米能級為4.5eV，直徑 1.5nm的單壁碳納米管的能隙約0.6eV，因此碳納米管的價帶底約為4.2eV。為實現(xiàn)n型接 觸必須選擇功函數(shù)低于4.5eV的金屬材料做電極。雖然Al(4.3eV)， Mg(3.60eV), Ca(2.87eV) 的功函數(shù)較低，伹它們在空氣中極易氧化，難以獲得性能穩(wěn)定的n型接觸；氧的吸附也會 導致金屬功函數(shù)的升高，從而導致Schottky勢壘的升高；另外這三種金屬與碳納米管的浸 潤性也不好，這些都導致了利用Al,Mg，Ca難以與碳納米管形成高性能的n型接觸。已有 的研究結(jié)果都表明用Al， Mg, Ca作為電極材料的器件的性能較差。而鈧(Sc)的功函數(shù)為 3.3eV(<4.2eV)，在空氣中也比較穩(wěn)定(有研究表明氧的吸附會使Sc的功函數(shù)降得更低)， 而且我們的研究表明Sc與碳納米管的浸潤性能也比較好，因此Sc能夠與碳納米管形成性 能很好的歐姆接觸，不僅可以得到性能穩(wěn)定的n型器件，而且可以實現(xiàn)電子的彈道輸運。 用Sc做電極的碳納米管場效應(yīng)晶體管的開關(guān)電流比可以超過106，開態(tài)電流可以達到20^iA 以上，電子的遷移率可以超過2000cmVVs。本發(fā)明提出了利用Sc作為金屬電極材料與碳納米管形成高性能接觸的思想，不僅可 以用于制備高性能的n型碳納米管場效應(yīng)晶體管，也可以用于制備以碳納米管為基的其他各種高性能的納電子器件，包括生物以及化學傳感器件。根據(jù)上面的機理分析，以及本發(fā) 明所附實施例的數(shù)據(jù)表明，利用Sc做電極材料制備出的碳納米管納電子器件(包括場效 應(yīng)晶體管、生物及化學傳感器件等)不僅性能優(yōu)異、穩(wěn)定，而且制備方法簡單易行。本發(fā) 明對推動納電子器件的實用化進程具有非常重要的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是以Si02為底柵結(jié)構(gòu)的碳納米管場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是以鈧為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管(直徑為5nm)場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn) 移特性圖。圖3是以鈧為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管(直徑為5nm)場效應(yīng)晶體管的輸 出特性圖。圖4是以鈧為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管(直徑為2.5nm)場效應(yīng)晶體管的 轉(zhuǎn)移特性圖。圖5是源(S)、漏(D)、柵(G)電極材料均為鈧的頂柵結(jié)構(gòu)的碳納米管場效應(yīng)晶體管的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖6是在掃描電鏡中利用金屬鈧做針尖的探針與碳納米管建立電極接觸的照片。 圖7是在透射電鏡中利用金屬鈧做針尖的探針與碳納米管建立電極接觸的照片。 圖8是利用交流電泳法把碳納米管排列到金屬鈧電極對上建立電極接觸的照片。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，通過實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例1:以鈧(SC)為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管及其制備如圖l所示的以Si02為柵介質(zhì)4、以Si為背柵5結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管， 其源(S) 2、漏(D) 3電極材料為鈧(Sc)，位于單壁碳納米管1的兩端。具體制備歩驟 如下1. 通過CVD生長，或者把分散好的碳管溶液滴到襯底上，從而獲得位于Si/SiCh襯底上的碳納米管；2. 通過掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察，記錄下碳納米管的具體位置；3. 在碳納米管上涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成電極的形狀；4. 將光刻好的樣品放進電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，抽真空至3X10—8Torr左右，以1A/s的速 率蒸鍍一層30nm厚的金屬Sc;5.將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到以Si02為柵介質(zhì)、以Si為背 柵結(jié)構(gòu)的碳納米管場效應(yīng)晶體管。 用上述方法制備出的器件性能如圖2、圖3和圖4所示當單壁碳納米管的直徑為5nm時，制備出的以鈧(Sc)為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁碳 納米管場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性分別如圖2和圖3所示，圖2表明室溫下該器 件的開態(tài)電阻約為44 k。，為n型歐姆接觸，圖3表明器件的飽和電流可以超過20 ^A。當單壁碳納米管的直徑為2.5nm時，制備出的以鈧(Sc)為源漏電極的底柵結(jié)構(gòu)的單壁 碳納米管場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性如圖4所示，在0.5 V的偏壓下該器件的開關(guān)電流比可 達106。以上結(jié)果表明用鈧(Sc)做為金屬電極材料的確能夠與碳納米管形成高性能的n型接觸。實施例2:以Sc為頂柵結(jié)構(gòu)的碳納米管場效應(yīng)晶體管及其制備如圖5所示的以Sc為頂柵結(jié)構(gòu)的碳納米管場效應(yīng)晶體管，其源(S) 8、漏(D) 10、 柵(G) 6電極材料均為鈧(Sc)，單壁碳納米管11位于八1203柵介質(zhì)層7之下、Si02 9和 Si 12組成的襯底之上。具體制備包括下列步驟1. 通過CVD生長，或者把分散好的碳管溶液滴到襯底上獲得位于Si/Si02襯底上的 碳納米管；2. 通過掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察記錄下碳納米管的具體位置；3. 在碳納米管上涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成柵電極的形狀；4. 將樣品放進原子層沉積系統(tǒng)中生長一層柵介質(zhì)層(Zr02,Al203或Hf02);5. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的介質(zhì)層；6. 涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成源、漏、柵電極的形狀；7. 將光刻好的樣品放進電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，抽真空至3Xl(^Torr左右，以1A/s的速 率蒸鍍一層30nm厚的金屬Sc;8. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到以Sc為頂柵結(jié)構(gòu)的碳納米管 場效應(yīng)晶體管。實施例3:利用納米探針操縱系統(tǒng)將金屬鈧針尖與碳納米管連接起來1. 獲得碳納米管；2. 利用金屬鈧(Sc)做探針的針尖，在掃描電鏡或透射電鏡的輔助下，把鈧針尖14直 接接觸到碳納米管13的兩端即建立電極連接。如圖6 (掃描電鏡中)、圖7 (透射電鏡中)所示。實施例4:利用交流電泳法把碳納米管排列到金屬鈧電極上1. 制備出金屬鈧電極對；2. 把分散好的碳納米管溶液滴到電極對上；3. 在電極對上加IOV、 100KHz的交流電壓信號，即可把碳納米管16排列到鈧電極 15上，建立電極連接。如圖8所示。
權(quán)利要求
1. 一種以碳納米管為基的納電子器件，包括碳納米管和與之連接的電極，其特征在于，與碳納米管連接的電極是金屬鈧電極。
2. —種以碳納米管為基的納電子器件的制備方法，采用金屬鈧作為電極材料，通 過微加工技術(shù)在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的制備方法，其特征在于，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是首先通過光刻在碳納米管周 圍形成電極的形狀，再蒸鍍一層金屬鈧，然后剝離去除不需要的金屬層。
4. 如權(quán)利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的制備方法，其特征在于，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是在掃描電鏡或透射電鏡中， 用金屬鈧做探針的針尖，利用納米探針操縱系統(tǒng)將鈧針尖直接接觸到碳納米管 的兩端。
5. 如權(quán)利要求2所述的以碳納米管為基的納電子器件的制備方法，其特征在于，在金屬鈧與碳納米管之間建立電極連接的方法是在金屬鈧電極對上加交流電 壓，把分散好的碳納米管的溶液滴到金屬鈧電極對上，在交流電壓的誘導下把 碳管排列到鈧電極上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種實現(xiàn)碳納米管與金屬電極間高性能接觸的方法，由此得到具有穩(wěn)定得高性能碳納米管納電子器件。本發(fā)明的以碳納米管為基的納電子器件采用金屬鈧作為與碳納米管連接的電極。通過各種微加工技術(shù)把金屬鈧與碳納米管連接起來即可實現(xiàn)高性能的接觸，可用于制備高性能的n型碳納米管場效應(yīng)晶體管，也可用于制備以碳納米管為基的其他各種高性能的納電子器件，包括生物以及化學傳感器件。本發(fā)明對推動納電子器件的實用化進程具有非常重要的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L23/48GK101252145SQ20071009036
公開日2008年8月27日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者琨 姚, 張志勇, 彭練矛, 梁學磊, 勝 王, 胡又凡, 清 陳 申請人:北京大學