[发明专利]场效应晶体管及半导体器件

说明书

本申请是申请日为2005年8月2日、申请号为200510089317.8的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明特别涉及半导电碳纳米管、定位该碳纳米管的方法、使用该碳纳米管制造的场效应晶体管(FET)、以及半导体器件。

背景技术

自从1974年发明第一个半导体晶体管以来，硅微电子的集成度基本成指数增长。但是，预期这种增长在不久的将来不能持续下去。特别是，随着集成尺度接近纳米级，结构将达到可靠地实现所需功能的物理极限。随着集成尺度的增加，制造成本也成指数增加，因此限制了更高集成的实现。

作为可以克服由硅技术原理所加的局限的技术，分子电子学领域已经引起了大量注意。根据分子电子学，通过自对准技术可以以相对低的成本制造单分子器件。

在分子电子学领域中，例如富勒烯和碳纳米管的分子结构越来越吸引人们的注意。特别是，单壁碳纳米管(SWNT)-其是具有纳米级直径的卷起来的石墨片-自其在二十世纪九十年代早期被发现以来，关于其电子学领域所需的性质已经被热烈研究过。

根据构成该管的碳分子的螺旋晶格的角度和/或手性(chirality)，SWNT可显示出金属性或半导性电行为。SWNT的电学性能被预期可胜过最好的金属或半导体的电学性能。

1998年，结合了单个SWNT的场发射晶体管(FET)在室温下被实现(参考Trans，S.J.et al.，Nature，1998，vol.393，p.49)。利用结合一个或两个碳纳米管的单极或互补FET，实现了“非”门(inverter)，其是最简单的逻辑门。其它逻辑门，例如NOR(“非或”)、AND(“与”)，以及静态RAM(SRAM)，也可以使用互补或多互补模式制成。实现220Hz振荡频率的环形振荡器可用p或n型碳纳米管FET的阵列制成(参见Bachtold，A.et al.，Science，2001，Vol.294，p.1317，以及Derycke，V.et al.，Nano Letters，2002，vol.2，p.929)。

上述的结合有包括SWNT的晶体管的基本逻辑电路主要通过两种技术制成。一种是将SWNT分散在溶剂中，从而碳纳米管可通过使用原子力显微镜(AFM)扫描而被定位于预先构图的相应电极处(参见Trans，S.J.等人和Bachtold，A.等人的以上文献)。

在此技术(第一种技术)中，通过激光烧蚀(laser abrasion)制成的具有约1nm直径的SWNT通常悬浮在二氯乙烷中，此悬浮液被分布在晶片上从而可使用AFM将SWNT放置在栅电极上。随后，通过光刻进行Au的选择性沉积，从而在这些纳米管上形成接触电极和引线。根据Martel，R.et al.，Applied Physics Letters，1998，vol.73，p.2447中公开的此技术的示例，在背栅结构中实现了20cm²/(V·s)的空穴迁移率。

此外，通过结合碳纳米管(CNT)作为栅电极而实现了高达2,321S/m的互导(mutual conductance)的顶栅FET已经有所报导(Wind，S.J.et al.，AppliedPhysics Letters，2002，vol.80，p.38)。

另一种技术(第二种技术)是通过化学气相沉积(CVD)直接沉积SWNT到预先形成的电极图案上。其示例可在Javey，A.et al.，Nature，2003，vol.424，p.654和Tseng，Y.et al.，Nano Letters，2004，vol.1，p.123中找到。

通过此技术制造的晶体管表现出高达6,000S/m的互导和高达3,000cm²/(V·s)的载流子迁移率，这对晶体管来说是重要的性质。这些值比硅半导体的多一位数。

特别地，通过此技术制备的晶体管通过结合长300μm的半导体CNT实现了高达79,000cm²/(V·s)的载流子迁移率，如Durkop，T.et al.，Nano Letters，2004，vol.4，p.35中报导的那样。

发明内容

使用AFM的第一种技术难以实用，因为它涉及大量CNT在器件上的手工定位。它在半导体器件-例如中央处理器(CPU)芯片的存储器-上的应用是困难的。