專利名稱：電子器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由碳分子組成的電子器件及制造該器件的方法。
背景技術：
六角形網(wǎng)絡結構(蜂窩結構)是由六元碳環(huán)所構成，即，在平面上所組成苯環(huán)，稱為石墨片。大量的石墨片堆積起來形成石墨晶體。石墨具有等效于金屬的高導電性，因為離開原位的π電子可以通過沿著六角形網(wǎng)絡結構的碳鏈所形成的共軛系統(tǒng)在石墨中移動(如果通過諸如離開原位的π電子的移動，非金屬材料呈現(xiàn)出金屬材料的高導電性，則在下文中將該材料假定為“金屬化的材料”)。
另一方面，通過將矩形石墨薄片卷成圓筒并且無縫隙地組合它的兩端來形成單壁碳納米管。碳納米管的分子結構根據(jù)卷薄片的卷曲方式稍微有些變化，并且它的電性能因此可以從半導電變化到金屬化。這一點將在下文中進行討論。
圖8是用于定義碳納米管分子結構的顯像圖形(部分石墨薄片)。卷曲該石墨薄片，使得六元環(huán)51六元環(huán)與另一六元環(huán)52相重疊，從而形成單壁的碳納米管。具體來說，卷曲石墨薄片，使得從六元環(huán)51的點A到對應于六元環(huán)52的點A的點A’的線段A-A’變成為最終圓筒的圓周線。
碳納米管的分子結構取決于以滾筒的圓周方向所排列的六元環(huán)的數(shù)量和取向。這由下列公式中特別采用一對整數(shù)(n，m)所表示c→=na→+mb→]]>式中 是從點A至點A’的位置矢量，而 和 是圖8右下部分所示出的單位矢量。
在圖8中，例如，c→=8a→+2b→]]>于是，碳納米管的結構可以由一對整數(shù)(8，2)來標識。
電子具有波的性能。在分子中的電子波可以相對于它們的相位增強或減弱。電子波相互增強或者減弱的類型取決于分子的結構。因此，具有不同結構的碳納米管具有所容許的不同電子狀態(tài)，并因此具有不同的電性能。
量子力學計算表明碳納米管的電性能主要取決于上述整數(shù)對(n，m)。這也已經得到了實驗的驗證(“碳納米管”(“Carbon Nanotube”)，Edited By Kazuyoshi Tanaka，Kagaku-Dojin Publishiing Cmpany，Inc.，2001，pp.19-46).
帶隙是電子在最高的已占用分子軌道(HOMO)和最低的未占用分子軌道(LUMO)之間的能量差。隨著n的增加，碳納米管的帶隙就逐漸減少并且接近于石墨的帶隙。作為一種特殊情況，如果(2n+m)是3的倍數(shù)，則最高的已占用分子軌道(HOMO)和最低的未占用分子軌道(LUMO)就會退化，使得帶隙為0。這種碳納米管呈現(xiàn)金屬性。
總之，如果2n+m＝3xi，則碳納米管呈現(xiàn)金屬性；如果2n+m≠3xi，則碳納米管呈現(xiàn)半導體，其中i是一個整數(shù)。半導體碳納米管的帶隙隨著n增加而減小。
這樣，碳納米管是一種十分吸引人的電子材料。它們可以根據(jù)薄片的尺寸以及薄片卷曲的方式將它們的電性能從半導體變化到金屬，并且還具有控制帶隙的可能性，該帶隙可確定半導體器件的性能。
如果碳納米管的電性能可通過控制它們的結構而任意調節(jié)，則碳納米管就可以取代用于許多電子元件的半導體和金屬。
除了上述獨特的電性能之外，碳納米管還具有許多優(yōu)良的性能。例如，在類似于碳納米管的超精細線性結構中，可以發(fā)生稱為彈道傳輸?shù)默F(xiàn)象，在該現(xiàn)象中，電子或空穴可以高速而沒有散射的方式運動。這種現(xiàn)象可以奇跡般地增加電子元件的工作速度。
此外，碳納米管具有在所有物質中最高的導熱性。因此，碳納米管能夠解決具有高封裝密度或者以更高速度工作產生的大量熱量更易引起故障的大規(guī)模集成電路(LSI)的問題。
另外，碳納米管具有比現(xiàn)有材料都好的非常高的延展性和撓曲強度。這一性能有利于自底向上的微制造技術。
如上所述，希望碳納米管能夠成為具有突破障礙取代集中于諸如硅之類無機材料但已接近于其極限的常規(guī)半導體技術實現(xiàn)更高速度、更加精細的LSI的潛力的材料。
已經開展了制造電子器件的研究，例如，使用碳納米管的晶體管的研究。在這些研究工作中，最近，文件1(The Chemical Daily，The Chemical Daily Co.，Ltd.，F(xiàn)ebruary28，2002，p.l)提出了一種具有多壁碳納米管特性的場效應晶體管。
碳納米管可以分類成單壁碳納米管和多壁碳納米管，其中，單壁碳納米管是卷曲的石墨薄片，而多壁碳納米管包括具有不同直徑的圓筒形碳納米管。
在多壁碳納米管中，內部和外部相鄰層所分開的距離為0.3至0.4nm。在兩層之間的空間可以采用構成各層的六元環(huán)的碳原子的π電子云來填充。內層和外層可以恒定的距離環(huán)形排列。
在兩層之間的阻抗是平面狀態(tài)中的各層石墨薄片阻抗的100至10,000倍。在兩層之間的空間，或者更多層之間的空間，可以用作為柵極絕緣層，以便于制造出一個絕緣柵極場效應晶體管。
圖9是示出根據(jù)上述文件1(下文中稱之為比較實例)使用雙璧碳納米管所制造出的場效應晶體管結構的示意圖。
這一場效應晶體管是由雙璧碳納米管61構成，該雙璧碳納米管具有內部半導體碳納米管層1以及局部覆蓋著內部半導體碳納米管層1的外部金屬化碳納米管層2。金屬源電極3和金屬漏電極5都與半導體碳納米管層1相接觸，而金屬化柵極電極4與金屬化碳納米管層2相接觸。
為了實施晶體管的工作，將控制柵極電壓VG通過柵極電極4施加至金屬化碳納米管層2，同時將漏-源電壓VDS施加至在源電極3和漏電極5之間的半導體碳納米管層1。
柵極電壓的施加引起感應電荷注入到半導體碳納米管層1，以控制在源電極3和漏電極5之間的半導體碳納米管層1的導電性，從而實現(xiàn)晶體管的工作。在半導體碳納米管層1和金屬化碳納米管層2之間的空間具有在普通絕緣柵極場效應晶體管中所包括的絕緣層的功能。
圖2示出了根據(jù)比較實例的場效應晶體管的電流-電壓(漏電流ID與漏-源電壓VDS)特性。在柵極電壓VG保持恒定的低區(qū)域中，漏電流ID隨著漏-源電壓VDS的增加而增加。隨后，漏電流ID就接近于飽和，且在電壓VDS超過一定電平之后就基本上變成恒定的而與電壓VDS無關。
在飽和區(qū)域中，漏電流ID隨著柵極電壓VG的增加而增加。因此，通過調整漏電流ID與柵極電壓VG(施加至柵極電極4的控制電壓)就可以實現(xiàn)晶體管的工作。
然而，根據(jù)比較實例的場效應晶體管提供了低飽和漏電流ID，并因此呈現(xiàn)出對柵極電壓VG中變化的低增長率。所以柵極電壓的施加只對放大漏電流ID具有很小的影響。這就引起高功耗的問題。
正如圖9所示，這可能是因為根據(jù)比較實例的晶體管的半導體碳納米管層1具有區(qū)域62，該區(qū)域在源電極3和漏電極5之間的金屬化碳納米管層2中并沒有包括。這些區(qū)域62使得它難以在源電極3和漏電極5之間形成均勻的連續(xù)溝道，因為區(qū)域62超出了柵極電壓VG的作用。
接著，還通過利用隧道效應對超出柵極電壓VG的作用的區(qū)域62提供電流對實現(xiàn)根據(jù)比較實例的晶體管工作的可能性進行了研究。具體來說，通過變化偏置電壓E來計算隧道效應允許通過超出柵極電壓VG作用的區(qū)域62的電子的幾率，其中區(qū)域62具有長度為Lm(在源電極3或漏電極5與金屬化碳納米管層2之間的距離)。
單壁碳納米管所具有的功函為5.15eV(見，M.Shiraishi和M，Ata，Carbon，39，1913-1917(2001))，帶隙為0.1至1.4eV(見，C.H.Olk和J.P.Heremans，J.MaterialRes.，9，259(1994)；C.T.White，D.H.Roberston和J.W.Mintmire，Phys.Rev.B，47，5485(1993))。在該項計算中，假定半導體碳納米管層1所具有的帶隙為0.4eV。
所使用的電極材料是金，它所具有的功函為5.05eV。因此，在假定半導體碳納米管層1是本征半導體的基礎上，在金電極和半導體碳納米管層1之間所產生的能量勢壘Vo為0.1eV。
參見

圖10A，當通過具有施加至金電極的恒定偏置電壓E的隧道效應使電子通過具有Vo的高度eV且厚度為Lm的能壘時，傳輸幾率T可以由下式(1)給出T=4k2/κ2(1-k2/κ2)sinh2κL+4(k/κ)2cosh2κL---(1)]]>式中 以及m是電子質量，即，9.1×10-31Kg。
如果E＜Vo，ki是一個虛數(shù)，并且在公式(1)中的T隨著L的增加指數(shù)減小。換句話說，如果距離L大，則能夠進入半導體碳納米管層1的電子就少，并且最終電子被全部反射回來。允許電子通過隧道效應通過0.01eV的能壘，即，允許公式(1)收斂的，根據(jù)計算大約是2nm。
另外，還計算了當L為1.5nm、1nm和0.5nm時，響應勢壘高度的(Vo-E)變化的電子傳輸幾率T，其結果如圖10B和表1所示。圖10B和表1表示了通過隧道響應的傳輸?shù)膸茁蔜隨著能壘的高度(Vo-E)和長度L的增加而下降。另外，根據(jù)圖10B和表1，L必須限制于大約1nm，以便于獲得大約50％的傳輸幾率。
表1

如上所述，區(qū)域62的長度必須至少限制在大約2nm或者小于2nm，較佳的是，大約1nm或者小于1nm，以便于籍助于隧道效應解決超出柵極電壓VG作用的區(qū)域62的問題。就處理的精度而言，該長度似乎難以達到。
根據(jù)上述文件1的文章，將包括了含有金屬原子的球殼狀碳分子的半導體碳納米管用作半導體碳納米管層1，以改善導電性。然而，考慮到通過施加僅作用于半導體碳納米管層1表面附近極其薄的層柵極電壓的效應，所以通過包括富勒來改善的效應似乎很小。
根據(jù)上述情況，本發(fā)明的一個目的是提供一種微電子器件，它可以克服由碳分子所構成的已知電子器件的缺陷并且可以提供優(yōu)于該器件的性能，并且還提供了制造該器件的方法。

發(fā)明內容
即，本發(fā)明涉及電子器件(第一種電子器件)，該電子器件包括第一管狀碳分子；
第二管狀碳分子，該分子基本上是平行于第一管狀碳分子設置的，部分覆蓋著第一管狀碳分子，且具有半導體性能；電壓施加部件，用于將電壓施加至第一管狀碳分子；電流輸入部件，用于將電流輸入至第二管狀碳分子；和電流輸出部件，用于將電流從第二管狀碳分子輸出。
本發(fā)明還涉及另一種電子器件(第二種電子器件)，該電子器件包括具有至少兩層的多壁碳納米管。該電子器件包括外部碳納米管，具有半導體性能；內部碳納米管，部分包括于外部碳納米管中；電流輸入端，用于將電流輸入至外部碳納米管；電流輸出端，用于將電流從外部碳納米管輸出和，電極，將電壓施加至內部碳納米管。
本發(fā)明還涉及另一種電子器件(第三種電子器件)，該電子器件包括具有空洞部分的半導體碳分子；包括于碳分子中的導體；和，電壓施加部件，用于將電壓施加至導體，以控制碳分子的電狀態(tài)。
此外，本發(fā)明涉及一種制造包括至少兩層多壁碳納米管的電子器件的方法(用于制造電子器件的第一種方法)。該方法包括以下步驟向部分外部碳納米管提供電流，以去除部分層；向外部碳納米管提供至少一個電流輸入部件；向外部碳納米管提供至少一個電流輸出部件；和，向內部碳納米管提供至少一個電壓施加/輸入部件。
本發(fā)明還涉及另一種制造包括至少兩層多壁碳納米管的電子器件的方法(用于制造電子器件的第二種方法)。該方法包括步驟在內部碳納米管的軸向方向部分拉出內部碳納米管；向外部碳納米管提供至少一個電流輸入部件；向外部碳納米管提供至少一個電流輸出部件；和，向內部碳納米管提供至少一個電壓施加/輸入部件。
本發(fā)明還涉及另一種制造電子器件的方法(用于制造電子器件的第三種方法)。該方法包括步驟形成由具有空洞部分的半導體碳分子元件與包括在空洞部分中的導體元件組成的合成物；和，提供施加部件，用于將電壓施加至導體。
根據(jù)本發(fā)明，第一外部管狀碳分子、外部碳納米管、或者外部半導體碳分子(下文稱之為第一半導體元件)部分覆蓋或者包括第二管狀碳分子、碳納米管、或者導體(下文稱之為第二元件)。電壓提供至第二元件，以有效地控制第一元件的電性能狀態(tài)。
第一電子器件的第一和第二元件都是由管狀碳分子所構成。第二電子器件的第一和第二元件都是由多壁碳納米管中所包括的碳納米管所構成。第三電子器件的第一元件是由具有空洞部分的半導體碳分子所構成，而第三電子器件的第二元件則是由導體所構成。
因此，通過提供向第二元件施加電壓的電壓施加部件以及用于輸入電流的電流輸入部件和用于向第一元件的輸出電流的用于電流輸出部件，可以用電壓有效地控制第一元件的輸入/輸出電流。
在用于制造根據(jù)本發(fā)明的電子器件的第一和第二方法中所使用的材料都是在具有至少兩層的多壁碳納米管中所包括的碳納米管。用于制造電子器件的第一方法所包括的步驟是將電流提供給部分外部碳納米管，以去除部分層，從而暴露內部碳納米管。用于制造電子器件的第二種方法所包括的步驟是以在內部碳納米管的軸向方向部分拉出內部碳納米管，從而暴露內部碳納米管。
在各方法中，用于第一和第二元件的碳納米管選自具有至少兩層的多壁碳納米管中所包括的碳納米管。因此，可以用碳納米管容易地和高效地制造出電子器件。
根據(jù)本發(fā)明的用于制造電子器件的第三方法不僅可以應用于圓筒形碳納米管，而且還可以應用于其它各種具有空洞部分的碳分子，包括杯疊式的碳納米管和碳納米管。
附圖的簡要說明圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的絕緣柵極場效應晶體管結構的示意圖。
圖2是示出根據(jù)第一實施例的場效應晶體管和根據(jù)比較實例的場效應晶體管的電流-電壓(漏電流ID與漏-源電壓VDS)特性的圖形。
圖3A至3C是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的絕緣柵極場效應晶體管的制造工藝的示意透視圖。
圖4A至4C是示出絕緣柵極場效應晶體管的制造工藝的示意透視圖。
圖5A至5C是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的絕緣柵極場效應晶體管的制造工藝的部分透視和平面示意圖。
圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的電流調制器件的結構的示意透視圖，而圖6B平面圖。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第五實施例的電容器的結構的示意圖。
圖8是用于定義碳納米管的分子結構的顯像圖形(部分石墨薄片)。
圖9是示出根據(jù)比較實例的場效應晶體管結構的示意圖。
圖10A是示出根據(jù)比較實例在的場效應晶體管中超出施加電壓作用的區(qū)域62中的隧道效應的圖形。圖10B是示出在傳輸幾率和能壘幅值之間關系的圖形。
實現(xiàn)發(fā)明的最佳方式在本發(fā)明中，第一和第二管狀碳分子較佳的是碳納米管。較佳的是，第一管狀碳分子具有導電性。
較佳的是，向在電子器件中覆蓋第一管狀碳分子的第二管狀碳分子提供電流輸入部件和電流輸出部件。
在本發(fā)明中，較佳的是，電子器件還包括用于向碳分子輸入電流的輸入部件和從碳分子輸出電流的輸出部件。
向覆蓋導體的碳分子區(qū)域提供輸入部件和輸出部件，以控制在連接輸入部件的位置和在連接輸出部件的位置之間整個區(qū)域中的碳分子的電性能。
另一方面，向覆蓋導體的碳分子區(qū)域內提供輸出部件或輸出部件中的任一部件，以控制在連接輸入部件的位置和在連接輸出部件的位置之間部分區(qū)域中的碳分子的電性能。
更具體的說，電子器件較佳的是用施加在導體上的電壓來控制流過碳分子的電流的電子器件，例如，以絕緣柵極場效應晶體管方式所制成的器件。
也就是說，可以由絕緣柵極場效應晶體管來提供作為晶體管的優(yōu)良電流—電壓特性，在該晶體管中，向碳分子提供了源極和漏極電極，而向導體提供了柵極電極，并且在碳分子和導體之間的空間可用作為柵極絕緣層。柵極電壓從連接源電極位置到連接漏電極位置作用于碳分子的整個溝道區(qū)域，從而形成具有高可控性的導通溝道。
在本發(fā)明中，較佳的是，導體包括在碳分子的空洞部分中，其中碳分子的中心軸與電子器件相一致。如果碳分子和導體具有軸對稱且與中心軸相一致的排列，則電子器件就能夠獲得圍繞中心軸的均勻電性能。此外，由于上述排列是機械穩(wěn)定的，因此在碳分子上的導體作用方面不會發(fā)生由于排列變化所產生的變化。
在本發(fā)明中，使用的碳分子原則上可以是任何半導體碳分子。使用的碳分子由一組稱為納米碳的一材料示例，包括圓筒形納米管、杯疊式碳納米管和碳納米角。
在本發(fā)明中，原則上所使用的導體可以是任何導電材料。所使用材料的實例包括金屬化碳納米管和諸如金屬之類導電材料所制成且碳分子的空洞部分所提供的納米線。
考慮當前材料的批量生產和處理的可能性，較佳的是，使用半導體碳納米管作為碳分子使用，金屬化碳納米管作為導體使用，以及這些碳納米管選自在多壁碳納米管中所包括的碳納米管層。
更具體的說，可以選擇半導體碳納米管層作為多壁碳納米管的各個層，并選擇定位在半導體碳納米管層的內部的并由一層或多層半導體碳納米管分隔開的金屬化碳納米管層且可以作為導體。
在這種情況下，除了兩個所選擇層以外的其它層可以保留并不需要去除。因此，所使用的碳納米管材料不僅可以是雙璧碳納米管，而且還可以是具有三層或更多層的多壁碳納米管。
如果絕緣柵極場效應晶體管是使用上述多壁碳納米管所制成的，該多壁碳納米管包括在兩個選擇層之間的半導體碳納米管層，則在兩個選擇層之間的空間可以和半導體碳納米管層一起作為柵極絕緣層使用。
較佳的是，半導體碳納米管層和金屬化碳納米管層可以采用掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和拉曼顯微鏡來區(qū)分和選擇。
用于制造電子器件的方法較佳的是還包括步驟一旦選擇了碳納米管或者導體其中任一個之后就至少部分去除碳納米管層，以便于將多壁碳納米管處理成諸如電極附件的形狀。具體的說，碳納米管層的去除較佳的是采用通過電流加熱氧化的方法來進行。
另選地，用于制造電子器件的方法較佳的是還包括步驟采用掃描探針顯微鏡在其軸向方向部分拉出至少一個多壁碳納米管所包括的內部碳納米管層，以便于在選擇碳分子之前暴露出內部碳納米管層以及來自所暴露的碳納米管層的導體。
接著，將參考附圖具體討論本發(fā)明的較佳實施例。
第一實施例絕緣柵極場效應晶體管圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第-實施例的絕緣柵極場效應晶體管結構的示意圖。
該場效應晶體管是多壁碳納米管10所構成，其中，該多壁碳納米管具有外部半導體碳納米管層1，以及部分被半導體碳納米管層1所覆蓋的內部金屬化碳納米管層2。金屬源電極3和金屬漏電極5與半導體碳納米管層1的兩端相接觸，而金屬柵極電極4與金屬化碳納米管層2相接觸。
為了實現(xiàn)晶體管的工作，將控制柵極電壓VG通過柵極電極4施加至金屬化碳納米管層2，而將漏-源電壓VDS施加至在源電極3和漏電極5之間的半導體碳納米管層1(溝道區(qū)域)且源電極接地。如果半導體碳納米管層1是p型半導體，則施加的柵極電壓是正的。
柵極電壓的施加引起一薄層負電荷的注入，包括在半導體碳納米管層1表面上的遷移電子，形成在源電極和漏電極之間的導電通道。在金屬化碳納米管層2和半導體碳納米管層1之間的空間用作普通絕緣柵極場效應晶體管中所包括的絕緣層。
圖2是示出根據(jù)第一實施例的場效應晶體管和根據(jù)比較實例的場效應晶體管的電流-電壓(漏電流ID與漏-源電壓VDS)特性的圖形。在柵極電壓VG保持恒定的低區(qū)域中，漏電流ID隨著漏-源電壓VDS的增加而增加。隨后，漏電流ID就接近于飽和，且在電壓VDS超過一定電平之后就基本上變成恒定的而與電壓無關。
在飽和區(qū)域中，漏電流ID隨著柵極電壓VG的增加而增加。因此，可以通過調整漏電流ID與柵極電壓VG(施加至柵極電極4的控制電壓)來實現(xiàn)晶體管的工作。
根據(jù)第一實施例的場效應晶體管的電流-電壓特性與比較實例的場效應晶體管的電流-電壓特性的比較結果，飽和漏電流ID越高，則因此在柵極電壓VG所增加的變化比率(增益)也就越高。這可能是因為在源極和漏極之間的整個溝道區(qū)域接受柵極電壓的作用，以便于在根據(jù)該實施例的晶體管中形成具有高控制性的導電溝道。
作為改進實施例，也可以使用具有半導體和金屬化兩種特性的碳納米管層代替金屬化碳納米管層2來完成晶體管工作。然而，在這種情況下，柵極層呈現(xiàn)出較低的導電性，于是通過施加柵極電壓降低了電荷注入的效率。
第二實施例絕緣柵極場效應晶體管的制造現(xiàn)在將說明根據(jù)第一實施例的絕緣柵極場效應晶體管的制造工藝。
<多壁碳納米管材料的制備>
多壁碳納米管，作為原材料，可以采用所熟知的方法來制備。在熱CVD(化學蒸發(fā)沉積)中，將基于碳氫化合物的源氣體引入反應溫度為600℃至1300℃的反應管中，以便于在例如置于反應管中的沸石所支撐的催化劑上生長出多壁碳納米管。
所使用的催化劑可以使用基于過渡型金屬細小顆粒的粉末，例如，鐵、鎳和鈷的粉末。這些顆粒都支撐在沸石的表面上，例如，將沸石分散在鐵醋酸和鈷醋酸的混合溶液中，允許沸石吸收鐵醋酸和鈷醋酸，并烘干該沸石。
所使用的反應氣體較佳的是碳氫化合物氣體，例如，乙炔(C2H2)，該氣體更佳的是采用氬氣稀釋。
用于合成多壁碳納米管的其它典型方法包括暈光放電，該方法可以在使用碳電極和激光器消融的真空中進行，其中，石墨可以采用激光輻射來純化。
<碳納米管和電極附件的處理>
上述絕緣柵極場效應的制備需要多壁碳納米管10，其中，多壁碳納米管10具有外部半導體碳納米管層1，以及部分被半導體碳納米管層1所覆蓋的內部金屬化碳納米管層2。以下參考圖3A至3C和4A至4C描述，在原材料所包含的各種多壁碳納米管中選擇適于制備上述晶體管的多壁碳納米管并處理多壁碳納米管的方法。用于。
碳納米管是在真空條件下并根據(jù)需要使用電子顯微鏡觀察下進行處理的。半導體碳納米管層1和金屬化碳納米管層2的區(qū)分和選擇可以采用掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和拉曼顯微鏡，因為原材料包括具有各種不同整數(shù)對(n，m)的碳納米管層。
步驟1多壁碳納米管10的選擇首先，許多多壁碳納米管可分散在基片上。參考圖3A，具有外部半導體碳納米管層1的多壁碳納米管10的選擇可以采用掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和拉曼顯微鏡，例如，使第一探針11與外部層相接觸。
步驟2部分去除半導體碳納米管層1參考圖3B，第一探針11和第二探針12與半導體碳納米管層1所需去除部分7的兩端相接觸，而不是將該部分作為溝道區(qū)域6保留。在這種狀態(tài)下，通過圍繞兩個探針施加電壓向去除部分7提供電流，以產生焦耳熱通過氧化選擇性去除所要去除部分7。其結果是，暴露出最外面第二層的碳納米管層8(見圖3C)。
步驟3碳納米管層8的選擇參考圖4A，第二碳納米管層8，這是在步驟2最新暴露出的碳納米管層，采用如同步驟1的相同方法，經過掃描隧道分光鏡(STS)方法和拉曼顯微鏡來區(qū)分出第二碳納米管層8是半導體碳納米管層1還是金屬化碳納米管層2。如果碳納米管層8是金屬化碳納米管層2，則終止多壁碳納米管10的處理。
步驟4重復步驟2和3如果碳納米管層8是半導體碳納米管層1，則重復步驟2和3。也就是說，采用步驟2中的相同方法，通過氧化部分去除碳納米管層8，以暴露出第三層最外面的碳納米管層9(見圖4B)。這一步驟隨后進行區(qū)分出第三碳納米管層9是半導體碳納米管層1還是金屬化碳納米管層2的步驟。
重復步驟2和3，以一一去除外部半導體碳納米管層，直至暴露出金屬化碳納米管層2。較佳的是在監(jiān)測多壁碳納米管10的導電性的同時進行氧化去除。導電性隨著時間逐步下降，并且所觀察到的各個步驟結束的時間點對應于在去除一個或多個碳納米管層的時間點。
步驟5電極粘結參考圖4C，最后將電極粘結在已經處理好的碳納米管10上，以便于完成場效應晶體管。在該步驟中，探針與碳納米管10的表面相接觸，同時采用掃描隧道分光鏡觀察它的表面條件。STS探針隨后與測量設備分開，以將探針作為電極使用。也就是說，源電極3和漏電極5與外部半導體碳納米管層1的兩端相接觸，而柵極電極4與內部金屬化碳納米管層2相接觸。
在圖4C所示的實例中，最外第三層的碳納米管層9是金屬化碳納米管層2。在這種情況下，在半導體碳納米管層1的溝道部分6和金屬化碳納米管層2之間的部分用作柵極絕緣層。這一部分包括第二半導體碳納米管層8。
在該實施例中，預先選擇具有外部半導體碳納米管層1的多壁碳納米管10。如果使用具有一層或多層外部碳納米管層的多壁碳納米管，則可以采用如同步驟2的相同方法通過氧化部分或全部去除外部金屬化碳納米管層，直至暴露出半導體碳納米管層。隨后，這樣處理的多壁碳納米管可以相同的方式用作多壁碳納米管10。
根據(jù)第二實施例的用于制造絕緣柵極場效應晶體管的方法可以容易地大批量生產使用多壁碳納米管的絕緣柵極場效應晶體管。
此外，用于絕緣柵極場效應晶體管的制造方法包括除了一定要的處理兩層之外對層的最少處理。因此，該方法包括較少的步驟，并且提供高的產量和生產力。
另外，根據(jù)第二實施例的用于制造絕緣柵極場效應晶體管的方法不僅可以應用于圓筒形碳納米管，而且還可以應用于各種空洞部分多壁碳納米管，包括杯疊式的碳納米管和碳納米管。
第三實施例絕緣柵極場效應晶體管的制造下而將參考圖5A至5C，說明用于多壁碳納米管的另一種制法，其中，該多壁碳納米管具有外部半導體碳納米管層1，以及部分被半導體碳納米管層1所覆蓋的內部金屬化碳納米管層2。
首先，選擇任何多壁碳納米管20。
隨后，固定多壁碳納米管20的最外層。第一探針11在真空腔室中以平行于多壁碳納米管20的軸向與多壁碳納米管20的最外層相接觸。多壁碳納米管20保留下來，以便于在真空腔室內在相接觸部分上沉積含碳的雜質，從而將多壁碳納米管20的最外層固定于第一探針11。
接著，第二探針12采用與上述方法相同的方法固定于多壁碳納米管20的內層。第二探針12隨后從第一探針11拉開。其結果是，就可以獲得已經拉出內層的多壁碳納米管21，正如圖5B所示。
圖5B所示的多壁碳納米管21可以直接用于制造場效應晶體管。另選地，如果需要，多壁碳納米管21可以在圖5B所示的剖面B-B’切開，以便于采用諸如電子或離子束輻射或者通過在需要切開部分的兩端附加探針并且向該部分提供電流使之加熱的方法，來制造圖5C所示的結構。
以上步驟所提供的多壁碳納米管22隨后采用與第一實施例中的步驟1相同方法的掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和拉曼顯微鏡，來選擇包括多壁碳納米管22結構中的外部半導體碳納米管層1和內部金屬化碳納米管層2的兩層。
電極可以采用根據(jù)第一實施例的制造工藝的步驟5的相同方法粘結在所選擇的兩層上，以便于制造出類似于根據(jù)第一實施例的絕緣柵極場效應晶體管。
根據(jù)該實施例的方法還可以應用于具有外部半導體碳納米管層1并且是采用與根據(jù)第一實施例步驟1相同方法從分散在基片上的許多多壁碳納米管中選擇出來的多壁碳納米管。
根據(jù)第三實施例的絕緣柵極場效應晶體管的制造方法可以容易地批量生產使用多壁碳納米管的絕緣柵極場效應晶體管。
此外，用于絕緣柵極場效應晶體管的制造方法只包括較少的步驟并具有高的生產力。
第四實施例圖6A和6B示出了根據(jù)本發(fā)明第四較佳實施例的電流調制器件37。值得注意的是，與在根據(jù)第一實施例的場效應晶體管制造中所使用的多壁碳納米管10相反，這里所使用的多壁碳納米管30的金屬化碳納米管層2僅僅只是達到部分半導體碳納米管層1。該多壁碳納米管30可以采用根據(jù)第二實施例的方法來制備。
電極31和32與半導體碳納米管層1相接觸，而電極33與金屬化碳納米管層2相接觸。電極32設置在覆蓋金屬化碳納米管層2的區(qū)域內，而電極31設置在不覆蓋金屬化碳納米管層2的區(qū)域內。
為了能夠驅動此電流調制器件37，控制電壓施加至電極33，而電壓施加在電極31和32兩端。如果半導體碳納米管層1是p型的半導體，則將正電壓施加至電極33。
正電壓通過電極33施加至金屬化碳納米管層2引起在半導體碳納米管層1的相對部分上的負電荷34的導入，從而在相鄰p型半導體碳納米管層35的附近形成n型區(qū)域36。
N型區(qū)域36的導電性取決于控制電壓。因此，在電極31和32之間流動的電流可以由控制電壓來調制。
第五實施例圖7是根據(jù)本發(fā)明第五較佳實施例的納米尺寸的電容器44。該電容器44的結構是基于在根據(jù)第一實施例的場效應晶體管的制造方法中所使用的多壁碳納米管10。多壁碳納米管10的半導體碳納米管層1的表面被導電材料41覆蓋。電極42連接著導電材料41，而電極43連接著金屬化碳納米管層2。
電容器44用作極其小的電容器。
本發(fā)明已經采用實施例進行了說明。很顯然，本發(fā)明并不限制于這些實施例，并且可以在發(fā)明的范圍內進行選擇性的改進。
根據(jù)本發(fā)明，第一外部半導體元件部分覆蓋或包括第二元件。對第二元件施加電壓以控制第一元件的電性能狀態(tài)。因此，施加至第二元件的電壓有效地控制著第一元件的電性能狀態(tài)。
因此，通過提供用于向第二元件施加電壓的電壓施加部件和提供用于向第一元件輸入電流的電流輸入部件和向第一元件輸出電流的電流輸出部件，可以用電壓有效地控制第一元件的輸入/輸出電流。
根據(jù)本發(fā)明的用于制造電子器件的第一和第二方法中所使用的材料是在具有至少兩層的多壁碳納米管中所包括的碳納米管。用于制造電子器件的第一方法包括向部分外部碳納米管施加電流以去除部分層從而暴露出內部碳納米管的步驟。用于制造電子器件的第二方法包括以軸向方向部分拉出內部碳納米管從而暴露出內部碳納米管的步驟。
在任一方法中，適用于第一和第二元件的碳納米管都可以選自在具有至少兩層的多壁碳納米管中所包括的碳納米管。因此，可以使用碳納米管容易地和高效地制造電子器件。
根據(jù)本發(fā)明的用于制造電子器件的第三方法不僅可以應用于圓筒形碳納米管，而且還可以應用于具有空洞部分的其它類型的碳納米管，包括杯疊式的碳納米管和碳納米管。
權利要求
1.一種電子器件，其特征在于，所述電子器件包括第一管狀碳分子；第二管狀碳分子，該分子基本上是平行于所述第一管狀碳分子設置的，部分覆蓋著所述第一管狀碳分子，且具有半導體性能；電壓施加部件，用于將電壓施加至所述第一管狀碳分子；電流輸入部件，用于將電流輸入至所述第二管狀碳分子；和電流輸出部件，用于從所述第二管狀碳分子輸出電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述第一和第二管狀碳分子都是碳納米管。
3.根據(jù)權利要求1所述的電子器件，其特征在于，所述第一管狀碳分子具有導電性。
4.根據(jù)權利要求1所述的電子器件，其特征在于，在第二管狀碳分子上覆蓋所述第一管狀碳分子的部分設置有電流輸入部件和電流輸出部件。
5.一種包括具有至少兩層的多壁碳納米管的電子器件，其特征在于，所述電子器件包括具有半導體性能的外部碳納米管；內部碳納米管，它部分包括于外部碳納米管中；電流輸入端，它用于將電流輸入至外部碳納米管；電流輸出端，它用于將電流從外部碳納米管輸出；和，電極，它用于將電壓施加至內部碳納米管。
6.一種用于制造包括至少兩層的多壁碳納米管的電子器件的方法，其特征在于，所述方法包括步驟將電流施加至部分外部碳納米管，以去除部分層；向外部碳納米管提供至少一個電流輸入部件；向外部碳納米管提供至少一個電流輸出部件；和，向內部碳納米管提供至少一個電壓施加/輸入部件。
7.根據(jù)權利要求6所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述去除步驟是通過向所述外部碳納米管層施加電流加熱通過氧化去除來進行的。
8.一種用于制造包括了至少有兩層的多壁碳納米管的電子器件的方法，其特在于，所述方法包括步驟從內部碳納米管的軸向方向部分拉出內部碳納米管；向外部碳納米管提供至少一個電流輸入部件；向外部碳納米管提供至少一個電流輸出部件；和，向內部碳納米管提供至少一個電壓施加/輸入部件。
9.一種電子器件，其特征在于，所述電子器件包括具有空洞部分的半導體碳分子、包括在碳分子中的導體，以及電壓施加部件，用于將電壓施加至導體，以控制碳分子的電性能狀態(tài)。
10.根據(jù)權利要求9所述的電子器件，其特征在于，還包括用于向碳分子輸入電流的輸入部件和用于從碳分子輸出電流的輸出部件。
11.根據(jù)權利要求10所述的電子器件，其特征在于，在碳分子中覆蓋導體的區(qū)域內設置輸入部件和輸出部件。
12.根據(jù)權利要求10所述的電子器件，其特征在于，在碳分子中覆蓋導體的區(qū)域內設置輸入部件或輸出部件。
13.根據(jù)權利要求10所述的電子器件，其特征在于，所述流過碳分子的電流由施加至導體的電壓控制。
14.根據(jù)權利要求10所述的電子器件，其特征在于，它形成絕緣柵極場效應晶體管。
15.根據(jù)權利要求9所述的電子器件，其特征在于，所述導體包括在碳分子的空洞部分中，兩者的中心軸相一致。
16.根據(jù)權利要求9所述的電子器件，其特征在于，所述碳分子是半導體碳納米管。
17.根據(jù)權利要求9所述的電子器件，其特征在于，所述導體是金屬化碳納米管。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的電子器件，其特征在于，所述碳分子和導體都是選自在多壁碳納米管中所包括的碳納米管層的層。
19.一種用于制造電子器件的方法，其特征在于，所述方法包括形成具有空洞部分的半導體碳分子元件與包括在空洞部分中的導體元件的組合物的步驟；和提供用于將電壓施加至導體的施加部件的步驟。
20.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述碳分子和導體都是選自在多壁碳納米管中所包括的碳納米管層。
21.根據(jù)權利要求20所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述選擇是采用掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和/或拉曼顯微鏡來進行的。
22.根據(jù)權利要求20所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述方法還包括在選擇碳分子或大體中任一個之后至少一次部分去除碳納米管層的步驟。
23.根據(jù)權利要求22所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述去除碳納米管層是通過施加電流加熱氧化來進行的。
24.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述方法還包括以軸向方向部分拉出在多壁碳納米管中所包括的至少一層內部碳納米管層，以便于在從所暴露的碳納米管層中選擇碳分子和導體之前暴露出內部碳納米管層的步驟。
25.根據(jù)權利要求24所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述拉出內部碳納米管層的步驟是采用掃描隧道分光鏡的探針來進行的，并且所述選擇是采用掃描隧道分光鏡(STS)探針方法和/或拉曼顯微鏡來進行的。
26.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述方法還包括提供用于向所述碳分子輸入電流的輸入部件的步驟以及提供用于從所述碳分子輸出電流地輸出部件的步驟。
27.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，在碳分子中覆蓋導體的區(qū)域內設置輸入部件和輸出部件。
28.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，在碳分子中覆蓋導體的區(qū)域內設置輸入部件或輸出部件。
29.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，制造絕緣柵極場效應晶體管。
30.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述導體包括在碳分子的空洞部分中，兩者的中心軸相一致。
31.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述半導體碳納米管用作碳納米管。
32.根據(jù)權利要求19所述的制造電子器件的方法，其特征在于，所述金屬化碳納米管用作導體。
全文摘要
一種微電子器件以及制造該器件的方法可以克服現(xiàn)有碳分子所構成的電子器件的缺陷，并具有優(yōu)于現(xiàn)有器件的性能。絕緣柵極場效應晶體管包括多壁碳納米管(10)，其中，多壁碳納米管(10)具有外部半導體碳納米管層(1)以及部分被外部半導體碳納米管層(1)所覆蓋的內部金屬化碳納米管層(2)。金屬源電極(3)和金屬漏電極(5)與半導體碳納米管層(1)的兩端相接觸，而金屬柵極電極(4)與金屬化碳納米管層(2)相接觸。在半導體碳納米管層(1)和金屬化碳納米管層(2)之間的空間作為柵極絕緣層使用。包括外部半導體碳納米管層(1)和內部金屬化碳納米管層(2)的兩層選自多壁碳納米管的碳納米管層。這些層都處理成適用于用于作為多壁碳納米管(10)使用的形式。
文檔編號H01J9/02GK1711645SQ200380103349
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月5日 優(yōu)先權日2002年11月20日
發(fā)明者丸山竜一郎, 阿多誠文, 白石誠司 申請人:索尼株式會社