專利名稱：一種基于碳納米管的光電器件、光電集成電路單元及電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納電子學領域，特別涉及一種基于碳納米管的高性能多功能光電器件、大 規(guī)模光電集成電路基本單元及光電集成電路。
背景技術：
經(jīng)過40余年快速的發(fā)展，硅基CMOS晶體管的發(fā)展已經(jīng)趨于完美，相應的CMOS器 件正在走到其物理極限。目前主流的45納米技術已經(jīng)采取了高k技術與金屬柵極來取代 Si02柵極絕緣層和高摻雜的多晶硅電極，器件中最為重要的硅導電通道也正在逐漸被應力 硅所取代。雖然32納米技術的開發(fā)已近尾聲，但是32納米技術后的微電子如何發(fā)展尚未 有成熟的方案。在Intel公司的晶體管發(fā)展路線圖中碳納米管和半導體納米線被作為2011 年后集成電路發(fā)展的一個可能的選項，但尚無具體的成熟方案。從性能的角度來講，硅材料并不是半導體材料中最為出眾的。許多材料，例如最早研 究的鍺材料的電子遷移率就比硅材料要高出許多。硅基材料另一個更為嚴重的缺陷是硅不 是直接帶隙半導體，這個缺陷嚴重地影響到了硅基光電器件的發(fā)展，導致了硅基集成電路 和半導體光電器件基本上是沿著兩條平行路徑發(fā)展的實際現(xiàn)狀。雖然近年硅基的光電器件 的發(fā)展出現(xiàn)了重要的突破，但硅基光電器件和CMOS器件尺度的差異使得近期不太可能將 兩者有機地集成在一起。碳納米管材料與硅材料具有本質(zhì)的不同。從電學性能的角度來講，碳納米管材料的能 帶結構在費米面附近是完全對稱的，電子與空穴的遷移率基本是相同的。實驗室測量出來 的碳納米管材料中的電子遷移率已超過了硅和重要的III-V, II-IV半導體材料，包括GaAs; 其空穴遷移率更是遠遠超過了所有半導體材料，是制備CMOS電子器件的理想材料。從光 電性能的角度來講，半導體碳納米管是直接帶隙材料，其帶隙和其直徑成反比關系。對于 l納米左右的碳納米管材料其帶隙處于紅外波段，是理想的通訊用光電材料。最近，北京 大學的梁學磊等人(中國發(fā)明專利申請，申請?zhí)?00710090362.4)采用金屬鈧(Sc)作為 電極材料制備出了性能接近理論極限的碳納米管n型場效應晶體管。隨后北京大學的彭練 矛等人(中國發(fā)明專利申請公開說明書CN101136408A，申請?zhí)?00710121804.7)在此基礎 上提出了一種基于半導體納米材料的CMOS電路及其制備技術，通過采用不同的金屬電極 接觸來控制場效應晶體管的極性，得到了基于碳納米管的CMOS電路。這些前期的結果為制備基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路打下了基礎。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個目的在于提供一種基于碳納米管的高性能多功能光電器件。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種基于碳納米管的光電器件，包括一柵極和一碳納米管，碳納米管和柵極之間為柵 介質(zhì)層，以碳納米管作為導電通道，在碳納米管上具有與之直接接觸的一個高功函數(shù)金屬 電極和一個低功函數(shù)金屬電極。本發(fā)明所述的高功函數(shù)金屬是指功函數(shù)高于碳納米管材料費米能級的金屬，例如Pd; 所述低功函數(shù)金屬是指功函數(shù)低于碳納米管材料費米能級的金屬，例如SC。高功函數(shù)金屬 可以直接和半導體碳納米管的價帶相連，有效地向碳納米管的價帶注入空穴；而低功函數(shù) 金屬可以直接和半導體碳納米管的導帶相連，有效地向碳納米管的導帶注入電子。對于底柵結構的上述光電器件，其制備方法可以是如圖1所示，在一個導電基底1 (底柵或背柵極)上生長一層絕緣層2 (即柵介質(zhì)層，例如Si02)，在這個絕緣層2上再生 長或分布上半導體碳納米管3，然后在這個碳納米管3上蒸鍍上一個高功函數(shù)金屬(例如Pd)電極4和一個低功函數(shù)金屬(例如Sc)電極5，即完成了該器件的制備。為了器件的穩(wěn)定，還可以在整個器件結構上生長一層絕緣層。對于如圖l所示的結構，將導電基底作柵極，Pd電極做為源(S)電極接地，Sc電極做 為漏(D)電極接輸入電壓(VDD)，當設置Vd^VDt^l.0V時，在正的底柵電壓(Vgs)下， Sc向碳納米管的導帶注入的電子將主導器件的性能，器件顯現(xiàn)為電子型(n-type);在負的底 柵電壓下，Pd向碳納米管的價帶注入的空穴將主導器件的性能，器件顯現(xiàn)為空穴型(p-type)。 該器件的場效應曲線為雙極性的(如圖2所示)，即對于上述器件設置，該器件功能為一 個雙極性場效應晶體管(ambipolar FET)。對于固定的底柵電壓(例如0伏)，由Pd電極和Sc電極加上中間的碳納米管通道就 構成了一個兩端器件，將Sc電極接地，Pd電極接輸入電壓，相應的電壓-電流曲線如圖3 所示，這是一個典型的二極管單向導電曲線，相關的工作原理可以用圖4來說明。在正偏 壓下，金屬Sc的電子可以直接注入碳納米管的導帶，金屬Pd的空穴可以直接注入碳納米 管的價帶(如圖4(a)所示)，電子和空穴同時參與導電，共同導致一個大的正向電流。在負 偏壓下，Pd和Sc向碳納米管注入載流子都會遇到一個位壘，碳納米管基本是不導電的(如 圖4(b)所示)。由于在大的正偏壓下(2-3V)這個器件對于電子和空穴的注入基本是無阻的， 本發(fā)明稱之為無阻雙極性二極管(BFBD， barrier-free bipolar diode)。在正偏壓下，BFBD中電子和空穴共存，導帶中的電子有一定的幾率會和價帶中的空 穴作用導致電子-空穴復合，同時發(fā)射一個紅外波段的光子(如圖5所示)。在碳納米管中 電子-空穴的相互作用區(qū)約為1個微米。對于一個理想的BFBD器件，當導電的碳納米管通 道的長度遠遠大于一個微米時，多數(shù)注入碳管的電子和空穴都將復合，同時發(fā)射光子，其 功能為一個高效的發(fā)光二極管，或light-emitting BFBD(LEBFBD)。圖6所示為一個實驗測 量得到了電壓-電流以及電壓-發(fā)光功率曲線，其中V^-13V表示固定底柵電壓為-13V。需 要指出的是該實驗中所采用的光探測器的截止波長為1500納米，而典型的碳納米管的發(fā) 光峰值約在2500納米，因此，圖6所示的發(fā)光功率僅為LEBFBD發(fā)射出來的光強的一小 部分，二極管真實的發(fā)光效率要比圖6所顯示的發(fā)光效率高出大約1個量級。上述的BFBD不但可以發(fā)光，在外界光照的情況下還可以將光能量有效地轉化為光電 勢或光電流(其原理如圖7所示)。圖8所示為在0.5伏正偏壓的情況下器件中的電流在有 光和無光的情況下的比較。圖9所示為光照對于BFBD電壓-電流曲線的影響。光照顯著地 增加了電路中的電流，構成了有效光探測器的物理基礎。雖然上述討論都是基于底柵結構的器件，但同樣的討論也適用于效率更高的頂柵結構 器件。在一個絕緣襯底上生長或分布上半導體碳納米管3，在這個碳納米管3上蒸鍍上一 個高功函數(shù)金屬(例如Pd)電極4和一個低功函數(shù)金屬(例如Sc)電極5，然后再生長一 層柵介質(zhì)層6 (例如Hf02)，最后在柵介質(zhì)層6上用光學或電子束曝光的方法制備一層金 屬作為頂柵7，可得到頂柵結構的光電器件(如圖10所示)。可見，本發(fā)明的基于碳納米管的光電器件通過簡單的器件結構即可實現(xiàn)多種功能，包 括但不限于雙極性場效應晶體管、無阻雙極性二極管、發(fā)光二極管和光探測器。本發(fā)明的第二個目的在于提供一種基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路的基本單元。本發(fā)明的光電集成電路單元包括一碳納米管和一個或多個柵極，碳納米管和柵極之間 為柵介質(zhì)層，以碳納米管作為導電通道，在碳納米管上順序排列有與之直接接觸的兩個高 功函數(shù)金屬電極和兩個低功函數(shù)金屬電極。對于底柵結構的上述光電集成電路單元，其制備方法可以是如圖lla所示，在一個 導電基底l (底柵或背柵極)上生長一層絕緣層2 (例如Si02)，在這個絕緣層上再生長或 分布上半導體碳納米管3，然后在這個碳納米管3上蒸鍍上順序排列的兩個高功函數(shù)金屬 (例如Pd)電極4和兩個低功函數(shù)金屬(例如Sc)電極5，即完成了該電路單元的制備。 為了器件的穩(wěn)定，還可以在整個或部分單元結構上生長一層絕緣層。這個單元結構由一根半導體碳納米管和與之連接的兩個低功函數(shù)(例如Sc)電極和兩個高功函數(shù)(例如Pd)電極組成。通過適當?shù)卦O置各金屬電極上的電壓和柵極電壓，即可 在這個簡單的器件結構單元上實現(xiàn)如下功能(1)電子型的場效應晶體管(n-FET); (2) 空穴型的場效應晶體管(p-FET); (3)互補的反相器；(4)雙極性場效應晶體管；(5)無 阻雙極性二極管；(6)發(fā)光二極管；(7)光探測器。前三種功能器件的實現(xiàn)在中國發(fā)明專 利申請公開說明書CN101136408A中已經(jīng)進行了詳細描述，即以兩個高功函數(shù)金屬電極分 別為源、漏電極，加上中間的碳納米管通道構成一個p型FET;兩個低功函數(shù)金屬電極分 別為源、漏電極，加上中間的碳納米管通道構成一個n型FET。具體原理于此不再贅述。 而后四種功能器件的實現(xiàn)如前所述。由此，本領域的技術人員只需根據(jù)想要實現(xiàn)的功能而 對該電路單元靈活設置各電極電壓即可獲得多種功能器件，包括電子器件(FETs)和光電 器件(BFBD,LEBFBD等)。圖lla所示的是底柵結構的電路單元，同樣的效率更高的頂柵結構的電路單元也可以 實現(xiàn)。在圖lla所示的整個或部分單元結構上再生長一層柵介質(zhì)層6 (例如Hf02)后，然 后在其上用光學或電子束曝光的方法制備一層金屬作為頂柵7，可得到頂柵結構電路單元，如圖llb所示，在這個結構中如果設Vds二V4,Vg^VG3,V產(chǎn)Vf0，即可得到一個高效的頂柵n-FET器件，其場效應特性曲線如圖12所示，電壓-電流特性曲線如圖13所示；類似地， 如果設Vds =V4, Vgs=V5, VG3=V3=0，得到了一個高效的底柵n-FET器件。該光電集成電路單元結構簡單，加工方便，電子器件和光電器件的尺度均在納米量級， 可構成通用的納電子、光電子集成電路的基礎。本發(fā)明的第三個目的在于提供一種基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路。 本發(fā)明的基于碳納米管的大規(guī)模集成電路實際上是下述三種器件結構單元的任意組合，A、 兩個高功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米管構成的器件結構單元；B、 兩個低功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米管構成的器件結構單元；C、 一個高功函數(shù)金屬電極和一個低功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米 管構成的器件結構單元。各器件的柵極通過柵介質(zhì)層與碳納米管導電通道連接。這三種器件結構單元可以存在 于一根或多根半導體碳納米管上，根據(jù)所需功能，按照預先的設計連接各電極即可得到功 能復雜的大規(guī)模光電集成電路，如圖14所示的是一個底柵結構的電路，而這種組合同樣 適用于頂柵結構的電路(如圖15)。本發(fā)明提出了一種基于碳納米管的高性能多功能光電器件和一種基于碳納米管的大 規(guī)模光電集成電路基本單元，在此基礎之上可進一步實現(xiàn)各種功能的大規(guī)模光電集成電 路。本發(fā)明的光電器件和申請人的上一個專利申請(申請?zhí)?00710121804.7，中國發(fā)明專 利申請公開說明書CN101136408A)完全兼容，特別是在一個非常簡單的電路基本單元中 可以完美地實現(xiàn)多種重要的電子學和光電功能。這種多功能器件在納米尺度的有機集成， 有望極大地增強現(xiàn)有集成電路芯片的功能，也為規(guī)模集成納米電路提供了全新的設計思路 和有效的實施方法。
圖1是本發(fā)明以Si02為底柵結構的碳納米管光電器件的結構示意圖。圖2是將Pd電極接地，把Sc電極接1.0V電壓，將導電基底做柵極時圖1所示器件 表現(xiàn)出的雙極性FET (ambipolarFET)性能曲線。圖3是在固定的柵極電壓下(如0V),將Pd電極接地，Sc電極接輸入電壓，圖l所 示器件表現(xiàn)出的電壓-電流曲線。圖4是圖3所示電壓-電流曲線形成的工作原理示意圖，其中(a)表示在正偏壓下，Sc 和Pd分別向碳納米管注入電子和空穴，兩種載流子同時參與導電；(b)表示在負偏壓下， Pd和Sc向碳納米管注入載流子都會遇到一個高度約為納米管能隙大小的位壘，碳納米管 基本是不導電的。圖5是BFBD中電子-空穴復合，同時發(fā)射一個紅外波段的光子，表現(xiàn)出紅外發(fā)光二 極管特性的示意圖。圖6是實驗測量得到的本發(fā)明一個LEBFBD器件的電壓-電流以及電壓-發(fā)光功率曲線。圖7是BFBD在外界光照的情況下將光能量有效地轉化為光電勢或光電流，表現(xiàn)出光 探測器或光電壓性能的示意圖。圖8為在0.5伏正偏壓的情況下BFBD器件中的電流在有光和無光的情況下的比較圖。圖9為光照對于BFBD電壓-電流曲線的影響結果圖。圖IO是本發(fā)明頂柵結構的碳納米管光電器件的結構示意圖。圖lla是本發(fā)明底柵結構的基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路單元的結構示意圖。 圖llb是本發(fā)明頂柵結構的基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路單元的結構示意圖。 圖12是圖11所示的電路單元當Vds=V4， Vgs=VG3， V5=V3=0時的場效應特性曲線。 圖13是圖11所示的電路單元當Vds=V4, Vgs=VG3， V5=V3=0時的電壓-電流特性曲線。圖14是把本發(fā)明的三種器件結構單元以任意方式組合獲得底柵結構的光電集成電路 的示意圖。圖15a是本發(fā)明實施例4的頂柵結構的具有光檢測功能的電路的結構示意圖； 圖15b是圖15a所示電路的等效電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖，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Pd和Sc為源漏電極的底柵結構的單壁碳納米管高性能多功能光電器件的結構如圖 l所示，包括一導電基底l、 一Si02絕緣層2和一碳納米管3，碳納米管3上具有與之直 接接觸的一個Pd電極4和一個Sc電極5。具體制備步驟如下-1. 通過定位生長，或者把分散好的單壁碳納米管溶液滴到有標記的Si/Si02襯底上， 從而獲得位于Si/Si02襯底上的一根單壁碳納米管；2. 通過掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察，記錄下單壁碳納米管的具體位置；3. 在襯底上涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成Pd電極的形狀；4. 將光刻好的樣品放進電子束或者熱蒸發(fā)系統(tǒng)中，抽真空后蒸鍍一層金屬Pd薄膜；5. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層；6. 重復3-5步，在步驟3中定義Sc電極的形狀，在步驟4中蒸鍍一層金屬Sc;7. 給各電極(Pd， Sc和底柵電極)施加適當?shù)碾妷?，即可實現(xiàn)雙極性場效應晶體管、 無阻的雙極性二極管、發(fā)光二極管或光探測器的功能。實施例2:頂柵結構的基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路基本單元的結構如圖11所示，包括一 導電基底l、 一Si02絕緣層2、 一碳納米管3，以及碳納米管3上順序排列的兩個Pd電極 4和兩個Sc電極5，在各Pd電極和Sc電極之間的碳納米管上覆蓋有柵介質(zhì)層6，在柵介 質(zhì)層上是頂柵電極7。具體制備過程包括下列步驟1. 通過定位生長，或者把分散好的碳納米管溶液滴到有標記的Si/Si02襯底上，獲得 位于Si/Si02襯底上的一根或多根平行的碳納米管；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. 在襯底上涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成柵極的形狀；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，或者用腐蝕的方法，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Pd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，抽真后蒸鍍一層金屬Pd;8. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層；9. 重復步驟6 8，在步驟6中定義Sc電極的形狀，在歩驟7中蒸鍍一層金屬Sc;10. 重復步驟6 8，在步驟6中定義頂柵電極的形狀，在步驟7中蒸鍍一層頂柵電極 金屬。實施例3:一基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路如圖14所示，兩根平行的碳納米管3位于導 電基底1和絕緣層2上，在碳納米管3上排列有多個Pd電極4和多個Sc電極5。其具體 制備過程包括下列步驟1. 通過定位生長，或者把分散好的碳納米管溶液滴到有標記的Si/Si02襯底上，獲得位于Si/Si02襯底上的一根或多根平行的碳納米管；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. 涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成圖中所需要的所有的Pd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，抽真空后蒸鍍一層金屬Pd;5. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層6. 重復步驟3 5，在步驟3中定義所有Sc電極的形狀，在步驟4中蒸鍍一層金屬Sc;7. 根據(jù)想要實現(xiàn)的電路功能設置各電極電壓。實施例4:一基于碳納米管的光電功能電路如圖15所示，位于絕緣襯底上的一根碳納米管上排 列有多個Pd電極和多個Sc電極，以及頂柵介質(zhì)和位于頂柵介質(zhì)上的柵電極(Ti/Hf02)。 其具體制備過程包括下列步驟1. 通過定位生長，或者把分散好的碳納米管溶液滴到有標記的絕緣襯底上，獲得位 于襯底上的一根或多根平行的碳納米管；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. 涂光刻膠并通過光學曝光或者電子束光刻形成圖中所需要的所有的Pd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，抽真空后蒸鍍一層金屬Pd;5. 將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層；6. 重復步驟3 5，在步驟3中定義所有Sc電極的形狀，在步驟4中蒸鍍一層金屬Sc;7. 重復步驟3 5，在步驟3中定義所有柵電極的形狀，在步驟4中生長柵介質(zhì)Hf02 并蒸鍍一層金屬Ti;8. 如圖15a所示連接電路，并設置各電極電壓。圖15a中，第I部分是電平調(diào)節(jié)電路，第II部分是光電探測電路，第m部分是信號 處理電路。其中，第I部分調(diào)節(jié)第II部分(即光電功能器件)的輸入電壓，使其處于工作 狀態(tài)，當有光照到第II部分時會產(chǎn)生一個光電壓，這個光電壓輸送到第III部分后即可以 驅動發(fā)光二極管發(fā)光。這樣就構成了一個具有光檢測功能的電路，其等效電路圖如圖15b 所示。
權利要求
1. 一種基于碳納米管的光電器件，包括一柵極和一碳納米管，碳納米管和柵極之間為柵介質(zhì)層，以碳納米管作為導電通道，在碳納米管上具有與之直接接觸的一個高功函數(shù)金屬電極和一個低功函數(shù)金屬電極。
2. 如權利要求1所述的光電器件，其特征在于所述高功函數(shù)金屬電極為Pd電極。
3. 如權利要求1所說的光電器件，其特征在于所述低功函數(shù)金屬電極為SC電極。
4. 一種基于碳納米管的光電集成電路單元，包括一碳納米管和一個或多個柵極，碳納米 管和柵極之間為柵介質(zhì)層，以碳納米管作為導電通道，在碳納米管上順序排列有與之 直接接觸的兩個高功函數(shù)金屬電極和兩個低功函數(shù)金屬電極。
5. 如權利要求4所述的光電集成電路單元，其特征在于所述高功函數(shù)金屬電極為Pd電 極。
6. 如權利要求4所說的光電集成電路單元，其特征在于所述低功函數(shù)金屬電極為Sc電極。
7. —種基于碳納米管的光電集成電路，是按照預先的設計任意組合下述三種器件結構單元并連接各電極后形成的電路A. 兩個高功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米管構成的器件結構單元；B. 兩個低功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米管構成的器件結構單元；C. 一個高功函數(shù)金屬電極和一個低功函數(shù)金屬電極加上中間作為導電通道的碳納米管 構成的器件結構單元；這三種器件結構單元存在于一根或多根半導體碳納米管上，而各器件的柵極通過柵介質(zhì) 層與碳納米管導電通道連接。
8. 如權利要求7所述的光電集成電路，其特征在于所述低功函數(shù)金屬電極為Pd電極。
9. 如權利要求7所述的光電集成電路，其特征在于所述低功函數(shù)金屬電極為Sc電極。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于碳納米管的光電器件，以碳納米管作為導電通道，其一端具有高功函數(shù)金屬電極，另一端具有低功函數(shù)金屬電極，通過簡單的結構即可實現(xiàn)多種功能器件，包括但不限于雙極性場效應晶體管、無阻雙極性二極管、發(fā)光二極管和光探測器。本發(fā)明還提出一種基于碳納米管的大規(guī)模光電集成電路基本單元，以碳納米管作為導電通道，其上順序排列兩個高功函數(shù)金屬電極和兩個低功函數(shù)金屬電極，靈活設置各電極電壓可獲得多種功能器件，包括電子器件和光電器件。本發(fā)明進一步提供了一種可實現(xiàn)各種功能的大規(guī)模光電集成電路。本發(fā)明有望極大地增強現(xiàn)有集成電路芯片的功能，也為規(guī)模集成納米電路提供了全新的設計思路和有效的實施方法。
文檔編號H01L27/02GK101281933SQ20081010517
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權日2008年4月29日
發(fā)明者張志勇, 彭練矛, 梁學磊, 勝 王, 清 陳 申請人:北京大學