专利名称：碳纳米管半加器及其制备工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种微电子器件，特别是一种以超长单壁碳纳米管为基础的半加器及其制备工艺。
半导体技术进入21世纪以后，半导体技术更加趋于成熟。以数字逻辑电路为基础的大规模集成电路代表了人类科学技术发展的最高水平。各国列强均把发展新一代的半导体电子产品和占领半导体电子市场放在首要的地位。但是随着半导体技术的不断成熟和人们对电子产品要求的不断提高，半导体器件的种种缺点和不足也渐渐暴露出来。
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重要组成部分。受光刻媒质——光的波长的限制，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。P型和N型半导体接触形成的P-N结，是半导体器件的工作基础。半导体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极限值，所以器件的速度不可能再有大数量级的提高。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。传统的半导体加工技术在复杂的电路结构面前已经显得力不从心。
最早提出离子阱离子计算等诸多重大新学术思想的奥地利科学家左拉教授给出了一个相对的估计数，他认为大概十年后传统计算机的存储器将会遭遇极限。清华大学教授龙桂鲁教授也支持这一观点，他认为根据“摩尔定律”推测出的十年左右的时间就是经典计算机的极限。
以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加工技术为电子技术的发展开辟了新的道路。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，其必将以其优异的性能代替传统的半导体器件。所以研究和发展以碳纳米管为主的纳米电路有重要的意义和价值。
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)用碳纳米管制作出场效应管。这种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，2001，294，13 17.)在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。这些碳纳米管电路和器件利用碳纳米管在偏压的控制下改变其导通状态的原理(碳纳米管因其结构不同而有不同的电学性质，此处所指的碳纳米管在不加栅压时处在截止状态，在加一定的栅压时处在导通状态)。虽然这些碳纳米管电路和器件表现良好，但也有其缺点。在纳米电路的制作中，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，人们通过“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碳纳米管，为电路的制作带来和很大的困难，不利于器件的集成。并且，这些器件都只是最基本、最简单的逻辑门，无法实现较复杂的功能。而如果应用Adrian.Bachtold等人制作的电路和器件实现复杂的功能电路将给电路的制作带来很大的难度。
本发明的目的可通过如下措施来实现在数字电路中，加法器是最基本的运算单元，二进制加法的运算规则是0+0＝0，0+1＝1，1+0＝1，1+1＝10即按权对位，同位相加，只是逢2向高位进位。只有最低位进行的是不带进位的加法运算，即半加。加法是数学运算中最基本的运算，而半加是加法运算中最简单的和最基本的运算。实现半加运算的电路叫半加器。半加器的输入变量是被加数和加数；输出函数是半加和以及进位。因此本发明的半加器是利用上述原理通过下述方案来实现一种碳纳米管半加器，包括碳纳米管、栅极、电极、绝缘层、衬底；在衬底上设绝缘层；在绝缘层上相间排列15个栅极和16个电极；一超长碳纳米管与栅极和电极接触；将部分栅极与恒压相连，使由其控制的碳纳米管截止，其余部分的栅极、电极及碳纳米管连接后等效为10个场效应管组成的电路；由其中两场效应管的电极并联形成逻辑“与”门器件；所述逻辑“与”门器件的两输入端——栅极分别与两初始信号输入端相连，由其实现半加器的进位及输出；两初始输入端还分别与两个由一场效应管构成的逻辑“非”器件的栅极相连；两逻辑“非”输出信号分别与初始输入端信号分组后，再分别输入两个由两场效应管构成的逻辑“或否”器件的输入端——栅极；由两逻辑“或否”器件输出的信号再分别与由两场效应管构成的逻辑“或”器件的两输入端——栅极相连；由其实现半加和及输出。
所述的逻辑“与”器件的两场效应管的电极并联后一端通过电阻与恒压相连，另一端接地。
所述的逻辑“非”器件的两电极串接后，其另一电极输出逻辑“非”信号。
所述的逻辑“或否”器件的两场效应管的两电极串接后，其另一电极接地，一电极输出逻辑“或否”信号。
所述的逻辑“与”器件的两场效应管的电极串接后，一电极接地，另一电极输出半加信号，并通过电阻与一恒压相连。
所述的栅极与电极之间的距离为5nm至100μm；栅极和电极的宽度为10nm至50μm。
所述的栅极表面为绝缘层，其厚度为1nm至5nm。
本发明的目的还可通过如下措施来实现一种碳纳米管半加器的制备工艺包括下述步骤(i)首先制备栅极在衬底上设绝缘层，在绝缘层上采用光刻法使绝缘层上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极；(ii)重复上述刻蚀方法，在绝缘层上沉积一导电层形成与栅极相间排列的16个电极；(iii)将一超长单壁碳纳米管放置在衬底绝缘层上，并与栅极和电极接触；(iv)将部分栅极与恒压源相连接，使由其控制的碳纳米管截止，其余部分的栅极、电极及碳纳米管连接后，等效为由10个碳纳米管场效应管组成的电路；其中两场效应管形成逻辑“与”门器件；逻辑“与”门器件的两栅极分别与两初始信号输入端相连，由其实现半加器的进位及输出功能；两初始信号输入端还分别与两由一场效应管构成的逻辑“非”器件的栅极相连，作为两“非”门的输入端；两个逻辑“非”门的输出信号又作为下一极的逻辑“或否”门的输入端，再分别与初始信号分组进行逻辑“或否”运算；由两逻辑“或否”器件输出的信号再分别与由两场效应管构成的逻辑“或”器件的两栅极相连，作为逻辑“或”门的输入信号进行“或”运算，使之实现半加和及输出功能。
所述的栅极和电极位于衬底绝缘层的沟槽内，且栅极和电极的表面与绝缘层表面持平；所述衬底绝缘层的厚度为35nm至100μm；沟槽的深度为10nm至95μm。
本发明的目的再可通过如下措施来实现一种碳纳米管半加器的制备工艺包括下述步骤(i)首先制备栅极，在衬底上设绝缘层，在绝缘层上采用光刻法使绝缘层上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极；(ii)将一根超长单壁碳纳米管放置在衬底绝缘层上，并与栅极接触；(iii)在碳纳米管上，用聚焦离子束方法制备与栅极相间排列的16个电极；(iv)将将部分栅极连接恒压源，使由其控制的碳纳米管截止，其余部分的栅极、电极及碳纳米管连接后，等效为10个场效应管组成的电路； 其中两场效应管形成逻辑“与”门器件；逻辑“与”门器件的两栅极分别与两初始信号输入端相连，由其实现半加器的进位及输出功能；两初始信号输入端还分别与两个由一场效应管构成的逻辑“非”器件的栅极相连，作为两“非”门的输入端；两个逻辑“非”门的输出信号又输入下一极的逻辑“或否”门的输入端，再分别与初始信号分组进行逻辑“或否”运算；由两逻辑“或否”器件输出的信号再分别与由两场效应管构成的逻辑“或”器件的两栅极相连，作为逻辑“或”门的输入信号进行“或”运算，使之实现半加和及输出功能。
所述的栅极位于绝缘层的沟槽内，电极位于绝缘层和单壁碳纳米管之上；所述绝缘层的厚度为35nm至100μm；绝缘层沟槽的深度为10nm至95μm。
另在衬底绝缘层和碳纳米管之上设电极，电极的高度为5nm至200μm。
图中所示1、单壁碳纳米管；2、栅极；3、电极；4、绝缘层；5、衬底；6、恒压源；7、半加器的第一加数输入端；8、半加器的第二加数输入端；9、半加器的半加和输出端；10、半加器的进位输出端；11、电阻。
器件制作完成后，其主体部分外形如
图1所示。本实施例关于选择器件一端起第二、第五、第八、第十一、第十三个栅极的连接恒压源6的选择方式只是作为一种代表性连接方式，并不是本发明仅限于此；这种方式只是一种相对较优的连线方式。
实施例2选取(001)取向的硅作为衬底5。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在衬底5上制备300nm厚的SiO2绝缘层4。首先制作栅极2在SiO2绝缘层4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15条宽30nm、相距200nm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4上形成宽30nm，深30nm的沟槽。利用电子束蒸发的方法，在整个器件表面沉积一层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。选择一根长为3.6μm、载流子浓度为9×106cm-1的超长单壁碳纳米管1，用原子力显微镜将其置于整个器件之上。要求碳纳米管放置平直，方向基本与栅极2方向垂直，并且要与所有的栅极2接触良好。碳纳米管1放置到位后，分别在两个栅极2的中间和外侧50nm的位置，用聚焦离子束(FIB)方法在碳纳米管1之上制备16条宽度为0.1μm、高度为200nm的铂(Pt)电极3。对器件进行封装后，再参照图3接线实现半加。以图3为例即将从本实施例的器件一端起的第二、第五、第八、第十一、第十三个栅极2连接恒压源6，使由这些栅极控制的部分碳纳米管1截止。这样剩余的栅极2、电极3和碳纳米管1可以组成相互独立的逻辑器件，由这些逻辑器件相连后，等效于10个场效应管连接而成的电路；由其中两场效应管的电极3并联形成逻辑“与”门器件101；所述的逻辑“与”器件101的结构为两场效应管的电极3并联后一端通过电阻11与恒压6相连，另一端接地。逻辑“与”门器件101的两栅极2分别与两输入端7、8相连，由其实现半加器的进位及输出；两初始信号输入端7、8还分别与两由一场效应管构成的逻辑“非”器件102的输入端——栅极2相连；所述的逻辑“非”器件102的两电极3串连接恒压源后，其剩余两电极3作为逻辑“非”门输出端。两逻辑“非”门的输出信号分别相互与对方“非”门的初始输入信号分组后，再与两由两场效应管构成的逻辑“或否”器件103的两输入端——栅极2相连；逻辑“或否”器件103的两场效应管的两电极3串接后，其一端电极3接地，另一端电极3输出逻辑“或否”信号再与由两场效应管构成的逻辑“或”器件104的一输入端——栅极2相连；所述逻辑“与”器件104的结构为两场效应管的电极3串接后，一端电极3接地，另一端电极3连接电阻和恒压源，同时作为半加和信号的输出端。
器件制作完成后，其主体部分外形如图2所示。本实施例关于选择器件一端起第二、第五、第八、第十一、第十三个栅极的连接恒压源6的选择方式只是作为一种代表性连接方式，并不是本发明仅限于此；这种方式只是一种相对较优的连线方式。
下面结合单壁碳纳米管的电学性质和本发明的原理图3和等效电路图4，说明本发明的工作原理。
本发明选用超长单壁碳纳米管。这种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。由实验可知其载流子为空穴，导电类型为P型。其导电性能随栅压的改变而改变。在正向栅极偏压的作用下，载流子——空穴的浓度将减小。当栅压增大到一定值时，碳纳米管将处于截止状态。在绝缘层厚度为140nm的情况下，栅极电压在6V左右，碳纳米管中的空穴将被完全耗尽，碳纳米管处于截止状态。同时，我们可知此时，若保持碳纳米管的截止状态，在碳纳米管两端所加的偏压应不大于1.5V。(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol.73，No.17，2447.)所以我们规定在本发明的电路中，1.2V为逻辑值“1”，0V为逻辑值“0”。
在数字逻辑电路中，统一的逻辑值是非常重要的，数字逻辑电路中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，控制碳纳米管的栅极也必须遵守这个规定。
由以上讨论我们可知在栅极绝缘层厚度为140nm时，栅极的耗尽电压为6V。我们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，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型碳纳米管中载流子为空穴，所以这里e＝+1.6×10-19库仑；L为碳纳米管与栅极接触部分的长度。
又知碳纳米管与栅极之间的电容满足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r)(3)h为碳纳米管与栅极之间的距离，即栅极绝缘层的厚度；r为碳纳米管半径；ε是介电常数，在这里我们取ε＝2.5将公式(2)、(3)带入公式(1)中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，T最后可得h=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)......(4)]]>本发明选择载流子浓度为9×106cm-1的超长单壁碳纳米管(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，No.17，2447.)。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。即在本发明中，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。
这个结论在本发明中是非常重要的。在需要的栅极上通恒定电压1.2V，使超长碳纳米管部分截止，以等效为若干个独立的单根碳纳米管形成的场效应管。这些场效应管可以独立实现自身的功能。这是本发明的基础。
半加器的真值表如图5所示。通过真值表可以看出，半价和输出端等效于一“异或”门，进位端等效于一“与”门。根据现有技术，没有现成的“异或”门设计，但是可以通过逻辑运算的规则，将其转换成“非”、“或否”和“或”运算的组合。过程如下F=A⊕B=A-B+AB-=A-+B‾+A+B-‾]]>这样我们就将“异或”运算转换为“非”、“或否”和“或”的逻辑运算。所以可得 公式中out代表输出端，in代表输入端。
根据逻辑式(5)、(6)，可以得出电路原理图4。从原理图4中可以看出输入in(7)分为三路，其中一路经过一个“非”门后，与输入in(8)进行一次“或否”运算；另一路与“非”in(8)进行一次“或否”运算；两路运算的结果再进行一次“或”运算，最后得到的结果为半加和out(9)；in(7)的第三路和in(8)作一次“与”运算，得到的结果为进位out(10)。
以等效原理图为基础，考虑到连线尽量避免交叉等因素，经过设计、优化后，最后得到器件的连线图3。从图3中可以看出在器件中，通过在特定的栅极上加恒定偏压，以截断碳纳米管，使其形成相对独立的碳纳米管场效应管。并使这些场效应管相互连接，构成“非”、“或否”、“与”基本的逻辑门。再连接这些基本的逻辑门，以实现半加器功能。本发明的优点是利用了碳纳米管的电学性质，通过碳纳米管场效应管的集成，第一次实现了半加器——一个具体的功能器件。是碳纳米管电路的一次大胆尝试，必将对碳纳米管电路的发展产生一定的影响。
权利要求
1.一种碳纳米管半加器，包括碳纳米管(1)、栅极(2)、电极(3)、绝缘层(4)、衬底(5)；在衬底(5)上设绝缘层(4)；其特征在于在绝缘层(4)上相间排列15个栅极(2)和16个电极(3)；一超长碳纳米管(1)与栅极(2)和电极(3)接触；将部分栅极(2)与恒压(6)相连，使由其控制的碳纳米管(1)截止，其余部分的栅极(2)、电极(3)及碳纳米管(1)连接后等效为10个场效应管组成的电路；由其中两场效应管的电极(3)并联形成逻辑“与”门器件(101)；所述逻辑“与”门器件(101)的两输入端——栅极(2)分别与两初始信号输入端(7)、(8)相连，由其实现半加器的进位及输出；两初始输入端(7)、(8)还分别与两个由一场效应管构成的逻辑“非”器件(102)的栅极(2)相连；两逻辑“非”输出信号分别与初始输入端(7)、(8)信号分组后，再分别连接两个由两场效应管构成的逻辑“或否”器件(103)的输入端——栅极(2)；由两逻辑“或否”器件(103)输出的信号再分别与由两场效应管构成的逻辑“或”器件(104)的两输入端——栅极(2)相连；由其实现半加和及输出。
2.如权利要求1所述的碳纳米管半加器，其特征在于所述的逻辑“与”器件(101)的两场效应管的电极(3)并联后一端通过电阻(11)与恒压(6)相连，同时作为输出端，另一端接地。
3.如权利要求1所述的碳纳米管半加器，其特征在于所述的逻辑“或”器件(104)的两场效应管的电极(3)串接后，一电极(3)接地，另一电极(3)输出半加信号，并通过电阻(11)与一恒压(6)相连。
4.如权利要求1所述的碳纳米管半加器，其特征在于所述的栅极(2)与电极(3)之间的距离为5nm至100μm；栅极(2)和电极(3)的宽度为10nm至50μm。
5.如权利要求1所述的碳纳米管式集成场效应管，其特征在于所述的栅极(2)表面为绝缘层，其厚度为1nm至5nm。
6.一种碳纳米管半加器的制备工艺，其特征在于包括下述步骤(i)首先制备栅极(2)，在衬底上设绝缘层(4)，在绝缘层(4)上采用光刻法使绝缘层(4)上的光刻胶形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层(4)上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极(2)；(ii)重复上述刻蚀方法，在绝缘层(4)上沉积一导电层形成与栅极(2)相间排列的16个电极(3)；(iii)将一超长单壁碳纳米管(1)放置在衬底绝缘层(4)上，并与栅极(2)和电极(3)接触；(iv)将部分栅极(2)与恒压(6)相连，使由其控制的碳纳米管(1)截止，其余部分的栅极(2)、电极(3)及碳纳米管(1)连接后，等效为10个场效应管组成的电路；由其中两场效应管的电极(3)并联形成逻辑“与”门器件(101)；逻辑“与”门器件(101)的两输入端——栅极(2)分别与两初始信号输入端(7)、(8)相连，由其实现半加器的进位及输出；两初始信号输入端(7)、(8)还分别与两个由一场效应管构成的逻辑“非”器件(102)的输入端——栅极(2)相连；两逻辑“非”输出信号分别与初始信号输入端(7)、(8)信号分组后，再分别与两个由两场效应管构成的逻辑“或否”器件(103)的输入端——栅极(2)相连；两逻辑“或否”器件(103)输出的信号再分别与由两场效应管构成的逻辑“或”器件(104)的两输入端——栅极(2)相连，由其实现半加和及输出。
7.如权利要求6所述的碳纳米管半加器的制备工艺，其特征在于所述的栅极(2)和电极(3)位于绝缘层(4)的沟槽内，且栅极(2)和电极(3)的表面与绝缘层(4)表面持平；所述绝缘层(4)的厚度为35nm至100μm；绝缘层(4)沟槽的深度为10nm至95μm。
8.一种碳纳米管半加器的制备工艺，其特征在于包括下述步骤(i)首先制备栅极(2)，在衬底上设绝缘层(4)，在绝缘层(4)上采用光刻法在绝缘层(4)上形成刻痕，并采用干法刻蚀法在绝缘层(4)上刻蚀沟槽，在沟槽内沉积一导电层，并在导电层上形成绝缘层，从而形成栅极(2)；(ii)将一根超长单壁碳纳米管(1)放置在衬底绝缘层(4)上，并与栅极(2)接触；(iii)在碳纳米管(1)上，用聚焦离子束方法制备与栅极(2)相间排列的16个电极(3)；(iv)将部分栅极(2)与恒压(6)相连，使由其控制的碳纳米管(1)截止，其余的栅极(2)、电极(3)及碳纳米管(1)连接后，等效为10个场效应管组成的电路；其中，两场效应管的电极(3)并联形成逻辑“与”门器件(101)；逻辑“与”门器件(101)的两输入端——栅极(2)分别与两初始信号输入端(7)、(8)相连，由其实现半加器的进位及输出功能；两初始信号输入端(7)、(8)还分别与两个由一场效应管构成的逻辑“非”器件(102)的输入端——栅极(2)相连；两逻辑“非”门的输出信号分别与初始信号输入端(7)、(8)分组后，再分别与两个由两场效应管构成的逻辑“或否”器件(103)的输入端——栅极(2)相连；由两逻辑“或否”器件(103)输出的信号再分别作为逻辑“或”器件的输入端，进入由两场效应管构成的逻辑“或”器件(104)的两输入端——栅极(2)，由其实现半加及输出。
9.如权利要求8所述的碳纳米管半加器的制备工艺，其特征在于所述的栅极(2)位于绝缘层(4)的沟槽内，电极(3)位于绝缘层(4)和单壁碳纳米管(1)之上；所述绝缘层(4)的厚度为35nm至100μm；绝缘层(4)沟槽的深度为10nm至95μm。
10.如权利要求8或9所述的碳纳米管半加器的制备工艺，其特征在于其特征在于衬底绝缘层(4)和碳纳米管(1)之上设电极(3)，电极(3)的高度为5nm至200μm。
全文摘要
本发明涉及一种微电子器件及其制备工艺，特别是一种以碳纳米管为基础的半加器；主要由一超长单壁碳纳米管、15个独立的栅极和16个独立的电极构成；在特定的栅极上加恒定偏压，使碳纳米管截断，形成若干个独立的碳纳米管场效应管；再根据设计连接这些场效应管，并连接必要的电阻和恒压源，实现半加器功能；与其它碳纳米管逻辑电路相比，本发明第一次通过一种碳纳米管的集成方式实现了具体的半加功能，且结构简单，易于制作。
文档编号H01L27/00GK1467841SQ0212366
公开日2004年1月14日 申请日期2002年7月8日 优先权日2002年7月8日
发明者赵继刚, 王太宏 申请人:中国科学院物理研究所