专利名称：单壁碳纳米管“与”门逻辑器件的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种逻辑器件，特别涉及一种以单壁碳纳米管为基础的“与”门逻辑器件。
背景技术：
半导体技术从出现到成熟已经历了半个世纪的风风雨雨。从那些简陋而硕大的二极管、三极管，到现在每平方厘米4200万个晶体管的集成电路，半导体电路一步步地进入人们的生活。时至今日，半导体电路已经成为人们生活中不可或缺的组成部分。当代先进的科学技术无一不和半导体技术息息相关。不敢想象如果没有电脑、网络等这些以半导体为基础的技术，我们的生活会是什么样。人们甚至用“数字化生存”来定义现代人的生活方式，可见半导体技术在当今社会的地位。但是，随着科学技术的不断发展和人们对器件尺寸和速度等指标要求的不断提高，半导体器件越来越暴露出其自身的种种缺点。
首先，受传统的半导体加工工艺的限制，半导体器件的尺寸无法进一步缩小，集成度难以提高。光刻技术是传统半导体工艺的主要组成部分之一。由于光刻的媒介是光，所以受光波长的限制，目前10nm的加工精读几乎已经到达了极限。其次，受半导体器件工作原理的限制，半导体电路的速度无法提高。半导体器件的工作介质是以Si为代表的各种半导体材料，通过掺杂等工艺形成P型或N型半导体。P型和N型的半导体接触形成的P-N结，是半导体器件工作的基础。所以其器件的响应速度有一个和其材料有关的极限值。目前半导体技术已经使器件的运行速度接近了这一速度极限值。再次，随着科学技术的发展，电路的设计和制作也越来越复杂。早期的电路都是单层电路，即所有的器件和连线都在同一平面上，而目前电路大都是多层结构。受半导体材料和工艺的限制，电路结构复杂程度的提高对电路的设计和制作带来了许多的困难。
以单壁碳纳米管和纳米线为代表的新一代纳米材料和随之而来的新的加工技术的出现为电路发展开辟了新的道路。单壁碳纳米管等纳米材料以其独有的电学特性吸引了人们的注意力，成为下一代电子器件的首选材料，所以以单壁碳纳米管为主的纳米电路的研究和发展有重要的意义。
1998年，IBM研究中心的R.Martel等人(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，No.17，2447)用单壁碳纳米管制作出场效应管。这种单壁碳纳米管场效应管在室温下有良好的电学性质，其各项性能指标完全可以和传统的半导体场效应管相媲美。场效应管是数字逻辑电路的基础，因此可以说单壁碳纳米管场效应管的出现是迈向纳米逻辑电路的第一步。此后，Adrian.Bachtold等人(《科学》SCIENCE，2001，294，1317.)在单壁碳纳米管场效应管的基础之上成功设计制作出在室温下工作的逻辑门电路和器件，其中包括逻辑“非”电路、逻辑“或否”电路、随机存储器和振荡器。这些单壁碳纳米管电路和器件利用单壁碳纳米管在偏压的控制下改变其导通状态的原理(单壁碳纳米管因其结构不同而有不同的电学性质，此处所指的单壁碳纳米管在不加栅压时处在不导通状态，在加一定的栅压时处在导通状态)。同时，Yu Huang等人制作出以半导体纳米线为基础的逻辑“与”电路。这种纳米线逻辑电路的工作原理是利用不同掺杂的P型或者N型半导体纳米线相互接触，从而形成P-N结，利用半导体P-N的性质实现逻辑运算。虽然这些单壁碳纳米管和纳米线电路和器件表现良好，但也有其缺点。在纳米电路的制作中，单壁碳纳米管和纳米线的放置一直是困扰人们的一个难题。目前，人们使用“隧道显微镜”(STM)或“原子力显微镜”(AFM)技术操控纳米材料，将其放置到位。而这些方法存在着效率低、效果差的缺点。Adrian.Bachtold等人制作的电路和器件大都使用一根以上的单壁碳纳米管。而在Yu Huang等人制作的纳米线电路中使用纳米线交叉排列的结构。这些设计为电路的制作带来和很大的困难，不利于器件的集成。
发明内容
本实用新型的目的是为解决单壁碳纳米管逻辑电路结构复杂缺点和降低制作的难度，为了提高器件的制作效率和效果；从而提供一种只使用一根单壁碳纳米管、结构简单的，易于制作和集成的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件。
本实用新型的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，包括Si衬底，在该Si衬底上设有SiO2绝缘层，单壁碳纳米管、栅极、电极和外电路中的电阻；其特征在于所述的栅极包括两个独立的栅极，栅极由在该Si衬底上设置的沟槽内沉积Al及经表面氧化形成的Al2O3绝缘层构成；所述的电极包括3个，电极设置在一根单壁碳纳米管之上或之下；栅极和电极相间平行排列；一根单壁碳纳米管平直放置在SiO2绝缘层的表面上，与栅极的Al2O3绝缘层表面以及电极的贵金属层表面相接触；第一电极与第二电极接地，第二电极与衬底上或外电路中的电阻相连。
所述的SiO2绝缘层的厚度在35nm至100μm之间；沟槽的深度在10nm至95μm之间。
所述的单壁碳纳米管是单壁碳纳米管。
所述的单壁碳纳米管的取向与电极和栅极垂直。
所述的栅极和电极相间平行排列；栅极与电极之间的距离在5nm至100μm之间。
所述的栅极的Al2O3绝缘层厚度在1纳米至5纳米之间；栅极位于Si衬底上SiO2绝缘层中的两条沟槽之中。
所述的栅极上表面与在Si衬底上的SiO2绝缘层表面上持平。
所述的电极上表面与在Si衬底上的SiO2绝缘层表面上持平。
本实用新型电路的制作方法是先在绝缘SiO2衬底上腐蚀出用于沉积贵金属和Al的5道沟槽，再分别将Al和贵金属电极所需的金属(如Au)沉积到沟槽内，形成栅极和电极；再将Al栅极氧化，形成Al2O3绝缘层；最后再将单壁碳纳米管放置在电极和栅极之上，并且要确保单壁碳纳米管与金属电极之间的接触良好。这样制作的目的是确保单壁碳纳米管处于一平面结构上，以避免因单壁碳纳米管弯曲而形成隧穿结而影响器件性能。
本实用新型与已有的碳纳米管和纳米线做成的电路相比在结构上，创造性地使用了多栅极和多电极相间排列的结构，并且只使用一根碳纳米管就实现了逻辑“与”的功能，使器件易于制作，为未来纳米电路的集成开辟了道路。本实用新型的单壁碳纳米管逻辑“与”门逻辑器件与已知的逻辑门电路相比有结构简单，易于制作和集成的优点。
本实用新型的制作方法为将一根单壁碳纳米管放置在电极和栅极之上，并且要确保单壁碳纳米管与金属电极之间的接触良好，这样确保单壁碳纳米管处于一平面结构上，避免了因单壁碳纳米管弯曲而形成隧穿结而影响器件性能。
以下结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
图1为Yu Huang等人制作的半导体纳米线逻辑“与”电路；图2为本实用新型的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件的原理图；
图3为本实用新型的一种实施例的结构示意图；图4为本实用新型的另一种实施例的结构示意图；图中标示1、单壁碳纳米管；2、第一栅极；3、第二栅极；4、第一电极；5、第二电极；6、第三电极；7、SiO2绝缘层；8、Si衬底；9、电阻；10、恒压源；11、P型Si纳米线；12、N型GaN纳米线。
具体实施方式
实施例1选取(001)取向的硅作为衬底8。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在衬底8上制备300nm厚的SiO2层7。首先制作栅极2、3在SiO2绝缘层之上均匀涂抹厚度为80nm厚的电子光刻胶(PMMA)。电子束曝光后的光刻胶经过显影、定影，去除曝光的光刻胶后，在光刻胶层上形成两条宽30nm、相距130nm的沟槽。使用干法刻蚀法刻蚀没有光刻胶覆盖的SiO2，在SiO2绝缘层中形成两条宽30nm，深30nm、宽130nm的沟槽。利用电子束蒸发的方法，在表面沉积一层30nm厚的Al。将光刻胶剥离、清洗，再经过氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3绝缘层。这样就完成了栅极2、3的制备。然后制备电极4、5、6重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀涂抹一层厚度为80nm的光刻胶。光刻胶曝光后，在光刻胶层中形成三条宽30nm的沟槽。一条在栅极的中间，另外两条在栅极外侧、距栅极50nm。使用干法刻蚀，在没有光刻胶的SiO2绝缘层中刻蚀出三条宽30nm、深30nm的沟槽。再一次利用电子束蒸发的方法，在整个表面沉积一层厚度为30nm的金。然后将电子光刻胶剥离、清洗后既完成了电极4、5、6的制备。选择一根长度为300nm，载流子浓度为9×106cm-1单壁碳纳米管1，用原子力显微镜将其置于整个器件之上。要求单壁碳纳米管放置没有弯曲，方向基本与电极和栅极方向垂直，并且要与电极和栅极接触良好。对器件进行封装后，连接电阻9和恒压源10，电极4、6接地，完成整个器件的制备。
器件完成后，整个器件的外观应由两个栅极和三个电极组成(参见图4)。为了避免单壁碳纳米管弯曲产生隧穿结，电极和栅极都应和SiO2层持平。单壁碳纳米管放置于栅极和电极之上。
本实用新型选用单壁碳纳米管。这种半导体性的单壁碳纳米管的性质是在常温下有较好的导电性，其电阻一般为几百个kΩ。通过实验可知其载流子为空穴，所以导电类型为p型。其导电性能随栅压的改变而改变。在栅压增大到一定值时，单壁碳纳米管将处于截止状态。
下面结合单壁碳纳米管的电学性质和本实用新型的原理图2，说明本实用新型的工作原理。
如上所述单壁碳纳米管在常温下电阻一般为几百个KΩ。由实验可知其载流子为空穴，导电类型为P型。在正向栅极偏压的作用下，载流子——空穴的浓度将减小。在绝缘层厚度为140nm的情况下，栅极电压在6V左右，单壁碳纳米管中的空穴将被完全耗尽，单壁碳纳米管处于截止状态。同时，本实用新型可知此时，若保持单壁碳纳米管的截止状态，在单壁碳纳米管两端所加的偏压应不大于1.5V。所以本实用新型规定在本实用新型的电路中，1.2V为逻辑值“1”，0V为逻辑值“0”。
在逻辑电路中，统一的逻辑值是非常重要的，在逻辑电路的所有的部分都应遵守这个规定，这样才能够保证电路结构简单、效率较高、计算可靠。除了输入端和输出端要遵守这个规定之外，控制单壁碳纳米管的栅极也必须遵守这个规定。
由以上讨论本实用新型可知在栅极绝缘层厚度为140nm时，栅极的耗尽电压为6V。本实用新型通过下面的计算确定，栅极的耗尽电压为1.2V时，栅极绝缘层的厚度。
已知，单壁碳纳米管与栅极之间的截断电压存在下列关系Q＝CVG，T(1)VG，T为截断电压，Q为载流子所带电荷，C为单壁碳纳米管和栅极之间的电容。
Q与载流子浓度满足公式Q＝peL(2)p为载流子浓度；e为载流子所带电荷，在p型单壁碳纳米管中载流子为空穴，所以这里e＝+1.6×10-19库仑；L为单壁碳纳米管与栅极接触部分的长度。
又知单壁碳纳米管与栅极之间的电容满足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) (3)h为单壁碳纳米管与栅极之间的距离，即栅极绝缘层的厚度；r为单壁碳纳米管半径；ε是介电常数，在这里本实用新型取ε＝2.5。
将公式(2)、(3)带入公式(1)中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，Th=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)---(4)]]>本实用新型选择载流子浓度为9×106cm-1的P型单壁碳纳米管。单壁碳纳米管半径为0.8nm，截止电压为1.2V。带入公式(4)可得h≈3nm。即在本实用新型中，当Al2O3绝缘层厚度不大于3nm的情况下，单壁碳纳米管处于截止状态。
本实用新型是利用两个栅极控制单壁碳纳米管的导通状态实现逻辑“与”运算的。当输入端电极2、3有一个或者两个的输入值都为逻辑“0”，即电压0V时，单壁碳纳米管的一部分或者是全部处于导通状态。此时，输出端电极5的电压为0，即逻辑值“0”；只有当输入端电极2、3输入的逻辑值均为逻辑“1”，即电压1.2V时，单壁碳纳米管处于截止状态。此时，输出电极5电势与恒压源10相等，为1.2V，即逻辑值“1”。本实用新型真值表如表1所示。从真值表中可以看出，本实用新型通过栅极对单壁碳纳米管状态的控制实现了逻辑“与”运算。
表1
实施例2选用(001)取向的硅作为衬底8。按实施例1的方法制备SiO2绝缘层7和两个栅极2、3。选择一根直径1nm、长度为600nm的单壁碳纳米管1，利用原子力显微镜(AFM)技术将其放置于两个栅极之上。要求两个栅极应大约处于单壁碳纳米管的中间位置，两栅极与单壁碳纳米管接触良好，并且单壁碳纳米管没有弯曲，方向与两栅极垂直。单壁碳纳米管放置到位后，在两个栅极的中间两外侧50nm的位置，用聚焦离子束(FIB)方法在单壁碳纳米管之上制备三个宽度为0.1μm、高度为200nm的金电极4、5、6。器件的封装完毕后，连接电阻9和恒压源10，电极4、6接地，完成器件的制备。
封装完毕后，器件的整体外形应是由两个与SiO2层持平的栅极和三个置于SiO2层之上的电极组成(参见图5)。单壁碳纳米管放于栅极之上，由电极固定。
实施例3按实施例1的方法制备两个栅极2、3和三个电极4、5、6。应用电子束蒸发的方法沉积一条长100μm、直径为12nm的Al线。其方向与电极垂直、一端与电极5连接，另一段沉积一尺寸为30nm×30nm，厚度为30nm的金电极。经过氧化后，在Al线表面将形成4-5nm厚的Al2O3氧化层。Al线中导通部分的直径约为2nm。这样，Al线的电阻大约为几十个MΩ，电阻9制备完毕。按实施例1的标准和方法挑选和放置单壁碳纳米管。最后将器件封装后，连接恒压源10，电极4、6接地，完成器件的制作。
制作工艺中的关键是制作尽可能薄的栅极绝缘层，同时又要确保绝缘层有良好的绝缘性。减小绝缘层的厚度可以进一步降低栅压，提高器件的性能和可靠性。
权利要求1.一种单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，包括Si衬底，在该Si衬底上设有SiO2绝缘层，单壁碳纳米管、栅极、电极和外电路中的电阻；其特征在于所述的栅极包括两个独立的栅极，栅极由在该Si衬底上设置的沟槽内沉积Al及经表面氧化形成的Al2O3绝缘层构成；所述的电极包括3个，电极设置在一根单壁碳纳米管之上或之下；栅极和电极相间平行排列；一根单壁碳纳米管平直放置在SiO2绝缘层的表面上，与栅极的Al2O3绝缘层表面以及电极的贵金属层表面相接触；第一电极与第二电极接地，第二电极与衬底上或外电路中的电阻相连。
2.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于栅极和两个电极位于衬底上的SiO2绝缘层中的沟槽内，沟槽的深度在10nm至95μm之间；SiO2绝缘层的厚度在35nm至100μm之间；栅极和电极的宽度在10nm至50μm之间。
3.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于所述的两个电极位于衬底的绝缘层和单壁碳纳米管之上是在一条贵金属层覆盖在其上。
4.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于所述的两个电极位于单壁碳纳米管之上是在Si衬底上设置的沟槽内沉积贵金属构成。
5.根据权利要求1或2或3所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于栅极的绝缘层厚度在1纳米至5纳米之间。栅极与电极之间的距离在5nm至100μm之间。
5.根据权利要求1或2或3所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于单壁碳纳米管平直放置。
6.根据权利要求1或2或3所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于栅极的上表面与衬底的绝缘层上表面持平。
7.根据权利要求2所述的单壁碳纳米管“与”门逻辑器件，其特征在于电极的上表面与SiO2绝缘层的上表面持平。
专利摘要本实用新型公开了一种以单壁碳纳米管为基础的“与”门逻辑器件，该逻辑器件由一单壁碳纳米管、两个独立的栅极和三个独立的栅极构成。中间电极加恒定偏压并作为输出端，另外两个电极接地。利用两个栅极为输入端，用来控制单壁碳纳米管截止或导通，从而实现了逻辑“与”运算。与其它单壁碳纳米管逻辑电路相比，本实用新型结构简单，且易于制作。
文档编号H03K19/20GK2566462SQ0223961
公开日2003年8月13日 申请日期2002年7月5日 优先权日2002年7月5日
发明者赵继刚, 王太宏 申请人:中国科学院物理研究所