专利名称：多指栅碳纳米管场效应晶体管的制作方法
技术领域：
0001本发明一般涉及纳米管装置领域，更具体地，涉及多指栅 (multifmger)碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)。
背景技术：
0002理论上，许多单壁碳纳米管场效应晶体管(SWNTFET)被预 测具有接近太赫兹(THz)范围的本征截止频率，其中本征指的是，与 调整电导率所需的栅极-源极电容相比，边缘场产生的寄生电容可以忽 略。然而，在实际应用中，此寄生电容常常占有大部分CNTFET的几 何结构。
0003当制造一个单独CNTFET时，有益的是能够测量其全部S参 数(或等效的Z、 h或ABCD矩阵)，然后提出等效电路模型，其可以 与理论模型相比较，并且作为基础来构建不只一个CNTFET的更复杂 的电路。然而，实际上，单个CNTFET的高阻抗和低工作电流阻碍了 获得这些测量值的先前尝试。
发明内容
0004根据本发明的特征，提供在单个纳米管上具有多个指状电极 的纳米管装置。在一个或多于一个实施例中，该纳米管装置包括多指 栅碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)，在其上的多个碳纳米管顶栅场 效应晶体管(FET)使用单壁碳纳米管的一段长度合并成指状几何体。 在一个或多于一个实施例中，低K电介质可以用来分隔多指栅CNT FED中的源极电极和栅极电极，以使源极电极和栅极电极之间的电容
(即米勒电容)最小。
0005根据本发明的另一个特征，提供的纳米管装置包括多指栅碳 纳米管场效应晶体管(CNTFET)，在其上的源极指状电极和漏极指状 电极之间形成多个纳米管，其中多个纳米管可以被对齐或随机形成。0006在一个或多于一个实施例中，使用一个单独的100pim长的单 壁碳纳米管，100个单独的纳米管顶栅场效应晶体管被合并成一个指状 几何体以产生截止频率为7.65GHz的单一晶体管(在去嵌入指状结构 的寄生电容之后)；在去嵌入之前，截止频率为0.2GHz。在去嵌入之 后，最大稳定增益值降到超过15GHz的整数(外推得到的)，并且在 去嵌入之前，最大稳定增益值降到整数2GHz (测得的)。使用此结构， 大于lmW的直流功率和超过1.5mS的跨导(dc)通过组合的装置来维 持。根据此处描述的各种实施例形成的多指栅碳纳米管场效应晶体管
(CNTFET)表示重大的进步，其允许纳米管技术在RF和微波频率应 用中使用。
0007根据本发明的又一个特征，具有多个指状电极的纳米管装置 被用在电路中以放大RF信号和驱动50欧姆的负载，从而提供驱动50 欧姆负载的纳米管放大器。
0008参考下面说明书并结合附图，本发明的上述特征和目标将变
得更明显，其中相同的参考数字表示相同的元件，并且其中
0009图1是根据本发明一个实施例的多指栅碳纳米管场效应晶体 管(CNTFET)的示意图。
0010图2是根据本发明一个实施例的多指栅碳纳米管场效应晶体 管(CNTFET)的一个实施例的扫描电镜(SEM)图像。
0011图3A和图3B是根据本发明一个实施例的多指栅碳纳米管场 效应晶体管(CNTFET)的部分示意布局图。
0012图4A显示室温条件下从根据本发明形成的示例性多指栅碳纳 米管场效应晶体管(CNTFET)测得的I-V特性曲线。0013图4B图示说明图4A的示例性多指栅碳纳米管场效应晶体管 (CNTFET)在V^0.5V时的低偏置耗尽曲线。
0014图4C图示说明图4A的示例性多指栅碳纳米管场效应晶体管 (CNTFET)在各种偏置条件下的DC和lGHz dWdVds值。0015图5是表示从根据本发明形成的示例性多指栅碳纳米管场效 应晶体管(CNTFET)测得的电极电容的图像。0016图6是表示根据本发明形成的示例性多指栅碳纳米管场效应 晶体管(CNTFET)的电流增益对频率的图像。
0017图7是表示根据本发明形成的示例性多指栅碳纳米管场效应 晶体管(CNTFET)去嵌入电极电容之前和之后的MSG的图像。0018图8是显示根据本发明的一个实施例用来放大RF信号和驱动
负载的示例性电路中的多指栅碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)的 电路图。
0019图9图示说明图8电路的I-V特性曲线。
具体实施例方式
0020本发明涉及多指栅碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)及其 制造方法。在一个或多于一个实施例中，提供的多指栅碳纳米管场效 应晶体管(CNTFET) IOO具有在单一纳米管102上的多个指状电极， 如图1的示意图所示。多指栅CNT FET IOO包括源极104、漏极106 和栅极108，其分别具有从纳米管102向外延伸的指状电极104a、 106a 和108a。
0021在一个或多于一个实施例中，纳米管102是一定长度的碳纳 米管(CNT)，其根据本领域技术人员所知的任何CNT方法通过化学 气相淀积合成。CNT102被淀积在被氧化的高电阻率硅(Si)晶片上， 该硅晶片具有形成于其上的介电层(如300-400nm的二氧化硅(Si02) 层)。使用电子束蚀刻和金属汽化技术在CNT 102上形成金属电极(源 极104、漏极106、栅极108和各自的指状电极104a、 106a和108a)。 在一个或多于一个实施例，金属电极包括30nm钯(Pd)/100nm金(Au) 的双层。汽化的二氧化硅(如具有10nm的厚度)被用作绝缘体，Au 顶栅被汽化。栅极指状电极108a的宽度比源极指状电极104a和漏极 指状电极106a之间的间隙小，以便纳米管102的长度部分不被栅极化。
0022例如，可以形成大约为0.8pm的源极-漏极间隙110，而栅极 指状电极108a的宽度大约为0.2pm。图2显示出具有此种尺寸的此种 多指栅CNTFET 100的一个实施例的一部分的SEM图像。在SEM图 像中，在淀积电介质(未显示)之前，右上方的插图中纳米管102是 可见的。在电介质和顶栅被淀积形成后，在SEM图像中，纳米管102是不可见的。
0023在一个或多于一个实施例中，总共2x个栅极指状电极108a、 x个源极指状电极104a (在两个方向提供电流)和x个漏极指状电极 106a (在两个方向吸收电流)(其中x〉1)被一起电连接在如此处所述 的芯片上而得到2x个CNT FET，这些CNT FET并联电连接以形成多 指栅CNTFETIOO。在一个实施例中，选择F50以提供100个栅极指 状电极108a、 50个源极指状电极104a和50个漏极指状电极106a，这 些电极电连接在一起得到组合的总共100个单独的并联CNT FET。因 为在相同的纳米管102上制造的每个单独CNT FET通常具有相同的几 何形状，所以希望每个单独的CNTFET的电性质是相同的。通过将在 一个长纳米管102上制造的单独的CNT FET (如100个)的电性质合 并到"芯片上"，可以实现最大稳定增益超过lGHz (即使包括寄生电 容)的纳米管晶体管的性能，同时还通过将电流增加到大的数值(mA) 解决了阻抗匹配问题。然后，源极/漏极/栅极电极104a/106a/108a可以 被电连接到工业标准的共面波导结构(未显示)以与商业的RF探针台 兼容。
0024在一个或多于一个实施例中，使用电极几何形状相同的多个 纳米管122的纳米管装置120可以用来代替单个纳米管102。例如，多 个随机取向的SWNT 122可以被形成于源极104和漏极106之间，如 图3A中所示意性显示，或对齐的多个SWNT 122的阵列可以被形成于 源极104和漏极106之间，如图3B中所示意性显示。形成有多个纳米 管122的纳米管装置120将被形成并且与图1中描述的多指栅CNTFET 100的功能相似。
0025在一个或多于一个实施例中，形成有此种多指栅电极几何形 状的多指栅CNT FET 100将使装置中的米勒效应最小。米勒效应在栅 极108和漏极106之间引起的有效电容(Cgd)是输入处的电容的(1 + 增益)倍。因此，米勒电容(Cgd)需要被保持到最小以便使频率相应 最大。多指栅CNTFET 100通过提供在栅极指状电极108a和漏极指状 电极106a之间无几何重叠的结构可以阻止在传统的CNT FET装置中 不能阻止的米勒效应。在一个或多于一个实施例中，通过使用低K电 介质来分隔源极电极104/栅极电极106以使两个电极104/106之间的电容最小，可以进一步减小米勒效应。通过使用低K电介质来分隔栅极-
源极电极104/106，栅极104和源极106之间的电容(Cgs)被最小化 以使装置的高频特性最大化。
0026在一个或多于一个实施例，形成的指状电极104a/106a/108a
可以相对短(如小于大约几个微米)并且与其接触的导线电极 104/106/108形成的宽度较宽(如比几个微米宽)，以使导线电极 104/106/108的电阻最小，其中栅极108的电阻和导线电极的电感被特 别地最小化。
0027现在参考图4A，图示说明从根据一个或多于一个实施例中形 成的示例性多指栅碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)测得的室温I-V 特性曲线。图4B进一步图示说明低偏置耗尽曲线，同时，图4C图示 说明在各种偏置条件下的DC和1GHz dWdVds值。此外，图4C图示 说明dc的差分电阻(根据测得的I-V曲线)与测得的微波S参数的差 分电阻(在下面将进一步描述)的对比。图4A-4C中所图示说明的结 果是令人满意的在各种偏置条件下，在lGHz时的动态源极-漏极阻 抗与在dc时的动态源极-漏极阻抗相同。这些结果与在单独的纳米管部 分中形成的FET上执行相同数量的先前测量一致。
0028在一个或多于一个实施例中，对于多指栅CNTFETIOO的RF 特性，使用可购买的微波探针(适于以可购买的短路/开路/负载/穿透
(SOLT)的校准标准进行校准)可以执行多指栅CNTFET 100的微波 测量，并且微波测量可以被允许从同轴过渡到平版印刷
(l他ographically)制造的芯片上共面波导(CPW)电极。微波网络分 析仪可以用来测量完全校准(复杂的)的S参数(S ， S12， S21， S22)。 SOLT校准程序可以用在商业校准晶片上。
0029在一个或多于一个实施例中，校准标准晶片不应该具有多指 栅CNTFET100的多指栅几何形状，所以，通过测量没有任何纳米管 的控制装置的S参数，由于指状电极104a/106a/108a产生的寄生电容
(主要是由于这些指状电极104a/106a/108a之间的边缘电场产生)可 以被准确地确定。根据在控制指状装置上测得的S参数，Y矩阵和电 容(使用合适的基本关系r"wC)可以被确定。根据这些值，三个寄 生电容Cgs、 Cgd、 Cds可以被确定，其在图5的示意图中被标出。根
9据在图5中的点，清楚地显示出频率与电容无关，其验证了寄生效应
的校准和模型，其中绝对值与根据电极几何形状计算的电容吻合较好。
0030表示高频(HF)晶体管品质的常用参数是截止频率，其被定 义为电流增益(H2)降到0dB的频率。在多指栅CNTFET100的一个 或多于一个实施例中，因为寄生电容与调整电导率所需的栅极-源极电 容相比较大，所以截止频率被限制。通过测量多指栅CNTFET 100的 全部S参数，提供一种技术，其为0.2GHz的完整的多指栅CNT FET 100 装置提取截止频率，如图6说明图中所示。
0031因寄生电容(Cgs、 Cgd、 Cds)已知，所以这些可以"被减去" 以确定多指栅CNTFET100的"本征"性能。同样，"本征"指的是与 调整电导率所需的栅极-源极电容相比，边缘场产生的寄生电容可以忽 略。在实践中，通过使用测得的Y矩阵减去指状电极104a/106a/108a 的控制(开路)Y矩阵(仅在分隔矩阵中被确定的)，得到"本征"Y 矩阵4薩^《画"-K。咖,，可以执行此去嵌入程序。然后，^t郞,c可 以被用来找到本征(被去嵌入的)S、 h、 Z和ABCD矩阵。在执行该 程序后，7.65GHz的本征截止频率(去嵌入电流增益H21降到0dB的频 率)在一个实施例中被找到，如图6所示。这表示在纳米管FET上曾 经测量的最大截止频率中的一个。
0032表示高频(HF)晶体管品质的第二常用参数是最大稳定增益 (被定义为S21/S12)降到0dB的频率。稳态条件和fMAx取决于全部4 个S参数，所以这不总是为直接测量的fMAX、最大振荡频率。然而，
其可以直截了当的测量，如测量S2i和S^—样，所以其一般用作"基
本的(poorman，s)"品质因数。现在参考图7，提供去嵌入寄生电容之 前和之后的最大稳定增益(MSG)的说明图。曲线外推到15GHz，其 是曾经报道的纳米管装置的最高MSG中的一个。0033本发明作者清楚地确定了去嵌入截止频率可以用来测量多指 栅CNTFET100的终极性能。在实际电路中，当电极被连接到多指栅 CNTFET100上，电极就必须也被计算在任何应用中，尤其在纳米电 路中。换句话说，尽管多指栅CNTFET100的去嵌入性能可能非常显 著，但是在多指栅CNTFET 100可以被在实际电路中之前，量化和表 示任何接触电极是重要的。更重要地，上述描述的测量清楚地确定多指栅CNTFET 100中的晶体管作用一直持续到10GHz。在可选实施例 中，最小的寄生效应可以用来为纳米管本征性能确定更精细的RF电路 模型。
0034在一个或多于一个实施例中，多指栅CNTFET 100可以用在 电路中以放大RF信号和驱动负载，如图8的电路图中所示。在一个或 多于一个实施例中，负载是50欧姆的负载，以便提供纳米管放大器用 以驱动50欧姆的负载。现有技术的纳米管装置不能实现任何比大约 lmW高的功率，其中本发明的纳米管装置可扩展为功率放大器中应用 的多个瓦特(W)装置。此电路增益由下面方程表示
0035根据下面输入可以实现值小于1的增益^=1附《， Z,。。rf=50Q，和g^300Q。相信使用诸如g"lmS， Z/W=1H^，和
& 二10&Q的输入，并且使用阻抗匹配电路和高品质电介质来将电路偏 置到饱和，可以实现增益大于l。图9所示的I-V特性曲线中的点说明 解释用以提高增益的预期偏置点。
0036尽管根据目前考虑的具体实施例描述了系统和方法，但是本 发明不必局限于公开的实施例中。本发明的目的是覆盖权利要求范围 和思想内包括的各种修改和相似布置，本发明的范围应该被理解为更 广泛的解释，以便包围所有此类修改和相似结构。本发明包括权利要 求的任意和全部实施例。
权利要求
1.一种多指栅纳米管场效应晶体管，其包括具有长度的单一纳米管，其形成于基底上；多个场效应晶体管装置，其形成于所述单一纳米管上并且并联电连接。
2. 根据权利要求1所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述多个场效应晶体管装置中的每一个包括多个平行指状电极，其形成于所述单一纳米管上。
3. 根据权利要求2所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述多个平行指状电极包括源极指状电极、漏极指状电极和栅极指状电极， 其中每个指状电极具有延伸超过所述单一纳米管对应部分的宽度。
4. 根据权利要求3所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其进一步 包括在所述单一纳米管上的所述栅极指状电极和所述漏极指状电极之 间无几何重叠。
5. 根据权利要求3所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述 源极指状电极、漏极指状电极和栅极指状电极被设置以最小化所述栅 极指状电极和所述漏极指状电极之间的米勒电容(Cgd)。
6. 根据权利要求2所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中具有 多个平行指状电极的所述多个并联场效应晶体管装置的组合为组合的 多指栅纳米管场效应晶体管提供较低的输出阻抗。
7. 根据权利要求3所述的多指栅纳米管场效应晶体管，进一步包 括低K电介质，其分隔所述源极指状电极和所述栅极指状电极。
8. 根据权利要求7所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述 低K电介质最小化所述源极指状电极和所述栅极指状电极之间的电容。
9. 根据权利要求2所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述晶体管可扩展为多个瓦特装置。
10. 根据权利要求3所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其进一步包括分别连接到所述源极指状电极、所述漏极指状电极和所述栅极 指状电极的源极导线电极、漏极导线电极和栅极导线电极，其中所述 源极指状电极、所述漏极指状电极和所述栅极指状电极中的每一个的 长度小于其各自源极引线电极、漏极引线电极和栅极引线电极的宽度， 以使所述引线电极的电阻和电感最小。
11. 一种多指栅纳米管场效应晶体管，其包括多个场效应晶体管装置，其形成于基底上并且并联电连接，其中 所述场效应晶体管装置中的每一个包括平行的源极指状电极、漏极指 状电极和栅极指状电极；及多个纳米管，其形成于所述多个场效应晶体管装置中每一个上的 所述源极指状电极和所述漏极指状电极之间。
12. 根据权利要求11所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述多个纳米管包括随机取向的单壁纳米管。
13. 根据权利要求11所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所述多个纳米管包括多个对齐的单壁纳米管的阵列。
14. 根据权利要求11所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其进一 步包括在所述基底上的所述栅极指状电极和所述漏极指状电极之间无 几何重叠。
15. 根据权利要求11所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中所 述源极指状电极、所述漏极指状电极和所述栅极指状电极被设置以最 小化所述栅极指状电极和所述漏极指状电极之间的米勒电容(Cgd)。
16.根据权利要求11所述的多指栅纳米管场效应晶体管，其中具 有多个平行指状电极的所述多个并联场效应晶体管装置的组合为组合 的多指栅纳米管场效应晶体管提供较低的输出阻抗。
17. —种超高射频(RF)碳纳米管装置，其包括 具有长度的单一纳米管，其形成于基底上；多个场效应晶体管装置，其形成于所述单一纳米管上并且并联电 连接，其中所述场效应晶体管装置中的每一个包括平行的源极指状电极、漏极指状电极和栅极指状电极； RF信号输入；及连接到所述多个场效应晶体管装置的负载，其中所述并联的场效 应晶体管装置的组合放大所述RF信号输入并且驱动所连接的负载。
18. 根据权利要求17所述的超高射频(RF)碳纳米管装置，其中 所述装置被合并在功率放大器、低噪声放大器(LNA)、非线性装置、 非线性混频器或非线性检测器中至少一个所使用的电路中。
全文摘要
提供一种多指栅(multifinger)碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)，其中多个纳米顶栅FET沿着单一碳纳米管、对齐的纳米管的阵列、或纳米管的随机排列的长度被合并在一个指状几何体上。每个单独的FET被设置以便在单一碳纳米管上的栅极指状电极和漏极指状电极之间无几何重叠的结构，从而最小化栅极指状电极和漏极指状电极之间的米勒电容(Cgd)。低K电介质可以用来分隔多指栅CNT FET中的源极电极和栅极电极，以进一步最小化源极电极和栅极电极之间的米勒电容。
文档编号H01L21/336GK101669196SQ200880003634
公开日2010年3月10日 申请日期2008年1月29日 优先权日2007年1月30日
发明者D·王, P·J·伯尔克, S·麦基南, Z·于 申请人:射频纳米公司