專利名稱：碳納米管半加器及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子器件，特別是一種以超長(zhǎng)單壁碳納米管為基礎(chǔ)的半加器及其制備工藝。
半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入21世紀(jì)以后，半導(dǎo)體技術(shù)更加趨于成熟。以數(shù)字邏輯電路為基礎(chǔ)的大規(guī)模集成電路代表了人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最高水平。各國(guó)列強(qiáng)均把發(fā)展新一代的半導(dǎo)體電子產(chǎn)品和占領(lǐng)半導(dǎo)體電子市場(chǎng)放在首要的地位。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟和人們對(duì)電子產(chǎn)品要求的不斷提高，半導(dǎo)體器件的種種缺點(diǎn)和不足也漸漸暴露出來(lái)。
首先，受傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝的限制，半導(dǎo)體器件的尺寸無(wú)法進(jìn)一步縮小，集成度難以提高。光刻技術(shù)是傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的重要組成部分。受光刻媒質(zhì)——光的波長(zhǎng)的限制，目前10nm的加工精讀幾乎已經(jīng)到達(dá)了極限。其次，受半導(dǎo)體器件工作原理的限制，半導(dǎo)體電路的速度無(wú)法提高。P型和N型半導(dǎo)體接觸形成的P-N結(jié)，是半導(dǎo)體器件的工作基礎(chǔ)。半導(dǎo)體器件的響應(yīng)速度有一個(gè)和其材料有關(guān)的極限值。目前半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)使器件的運(yùn)行速度接近了這一極限值，所以器件的速度不可能再有大數(shù)量級(jí)的提高。再次，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電路的設(shè)計(jì)和制作也越來(lái)越復(fù)雜。早期的電路都是單層電路，即所有的器件和連線都在同一平面上，而目前電路大都是多層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù)在復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)面前已經(jīng)顯得力不從心。
最早提出離子阱離子計(jì)算等諸多重大新學(xué)術(shù)思想的奧地利科學(xué)家左拉教授給出了一個(gè)相對(duì)的估計(jì)數(shù)，他認(rèn)為大概十年后傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器將會(huì)遭遇極限。清華大學(xué)教授龍桂魯教授也支持這一觀點(diǎn)，他認(rèn)為根據(jù)“摩爾定律”推測(cè)出的十年左右的時(shí)間就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的極限。
以碳納米管和納米線為代表的新一代納米材料和隨之而來(lái)的加工技術(shù)為電子技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。碳納米管等納米材料以其獨(dú)有的電學(xué)特性吸引了人們的注意力，成為下一代電子器件的首選材料，其必將以其優(yōu)異的性能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體器件。所以研究和發(fā)展以碳納米管為主的納米電路有重要的意義和價(jià)值。
1998年，IBM研究中心的R.Martel等人(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，Vol.73，No.17，2447)用碳納米管制作出場(chǎng)效應(yīng)管。這種碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管在室溫下有良好的電學(xué)性質(zhì)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)完全可以和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管相媲美。場(chǎng)效應(yīng)管是數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)，因此可以說(shuō)碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)是邁向納米邏輯電路的第一步。此后，Adrian.Bachtold等人(《科學(xué)》SCIENCE，2001，294，13 17.)在碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)之上成功設(shè)計(jì)制作出在室溫下工作的邏輯門電路和器件，其中包括邏輯“非”電路、邏輯“或否”電路、隨機(jī)存儲(chǔ)器和振蕩器。這些碳納米管電路和器件利用碳納米管在偏壓的控制下改變其導(dǎo)通狀態(tài)的原理(碳納米管因其結(jié)構(gòu)不同而有不同的電學(xué)性質(zhì)，此處所指的碳納米管在不加?xùn)艍簳r(shí)處在截止?fàn)顟B(tài)，在加一定的柵壓時(shí)處在導(dǎo)通狀態(tài))。雖然這些碳納米管電路和器件表現(xiàn)良好，但也有其缺點(diǎn)。在納米電路的制作中，碳納米管和納米線的放置一直是困擾人們的一個(gè)難題。目前，人們通過(guò)“隧道顯微鏡”(STM)或“原子力顯微鏡”(AFM)技術(shù)操控納米材料，將其放置到位。而這些方法存在著效率低、效果差的缺點(diǎn)。Adrian.Bachtold等人制作的電路和器件大都使用一根以上的碳納米管，為電路的制作帶來(lái)和很大的困難，不利于器件的集成。并且，這些器件都只是最基本、最簡(jiǎn)單的邏輯門，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能。而如果應(yīng)用Adrian.Bachtold等人制作的電路和器件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能電路將給電路的制作帶來(lái)很大的難度。
本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)在數(shù)字電路中，加法器是最基本的運(yùn)算單元，二進(jìn)制加法的運(yùn)算規(guī)則是0+0＝0，0+1＝1，1+0＝1，1+1＝10即按權(quán)對(duì)位，同位相加，只是逢2向高位進(jìn)位。只有最低位進(jìn)行的是不帶進(jìn)位的加法運(yùn)算，即半加。加法是數(shù)學(xué)運(yùn)算中最基本的運(yùn)算，而半加是加法運(yùn)算中最簡(jiǎn)單的和最基本的運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)半加運(yùn)算的電路叫半加器。半加器的輸入變量是被加數(shù)和加數(shù)；輸出函數(shù)是半加和以及進(jìn)位。因此本發(fā)明的半加器是利用上述原理通過(guò)下述方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種碳納米管半加器，包括碳納米管、柵極、電極、絕緣層、襯底；在襯底上設(shè)絕緣層；在絕緣層上相間排列15個(gè)柵極和16個(gè)電極；一超長(zhǎng)碳納米管與柵極和電極接觸；將部分柵極與恒壓相連，使由其控制的碳納米管截止，其余部分的柵極、電極及碳納米管連接后等效為10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路；由其中兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極并聯(lián)形成邏輯“與”門器件；所述邏輯“與”門器件的兩輸入端——柵極分別與兩初始信號(hào)輸入端相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出；兩初始輸入端還分別與兩個(gè)由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件的柵極相連；兩邏輯“非”輸出信號(hào)分別與初始輸入端信號(hào)分組后，再分別輸入兩個(gè)由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或否”器件的輸入端——柵極；由兩邏輯“或否”器件輸出的信號(hào)再分別與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件的兩輸入端——柵極相連；由其實(shí)現(xiàn)半加和及輸出。
所述的邏輯“與”器件的兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極并聯(lián)后一端通過(guò)電阻與恒壓相連，另一端接地。
所述的邏輯“非”器件的兩電極串接后，其另一電極輸出邏輯“非”信號(hào)。
所述的邏輯“或否”器件的兩場(chǎng)效應(yīng)管的兩電極串接后，其另一電極接地，一電極輸出邏輯“或否”信號(hào)。
所述的邏輯“與”器件的兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極串接后，一電極接地，另一電極輸出半加信號(hào)，并通過(guò)電阻與一恒壓相連。
所述的柵極與電極之間的距離為5nm至100μm；柵極和電極的寬度為10nm至50μm。
所述的柵極表面為絕緣層，其厚度為1nm至5nm。
本發(fā)明的目的還可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種碳納米管半加器的制備工藝包括下述步驟(i)首先制備柵極在襯底上設(shè)絕緣層，在絕緣層上采用光刻法使絕緣層上的光刻膠形成刻痕，并采用干法刻蝕法在絕緣層上刻蝕溝槽，在溝槽內(nèi)沉積一導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上形成絕緣層，從而形成柵極；(ii)重復(fù)上述刻蝕方法，在絕緣層上沉積一導(dǎo)電層形成與柵極相間排列的16個(gè)電極；(iii)將一超長(zhǎng)單壁碳納米管放置在襯底絕緣層上，并與柵極和電極接觸；(iv)將部分柵極與恒壓源相連接，使由其控制的碳納米管截止，其余部分的柵極、電極及碳納米管連接后，等效為由10個(gè)碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路；其中兩場(chǎng)效應(yīng)管形成邏輯“與”門器件；邏輯“與”門器件的兩柵極分別與兩初始信號(hào)輸入端相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出功能；兩初始信號(hào)輸入端還分別與兩由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件的柵極相連，作為兩“非”門的輸入端；兩個(gè)邏輯“非”門的輸出信號(hào)又作為下一極的邏輯“或否”門的輸入端，再分別與初始信號(hào)分組進(jìn)行邏輯“或否”運(yùn)算；由兩邏輯“或否”器件輸出的信號(hào)再分別與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件的兩柵極相連，作為邏輯“或”門的輸入信號(hào)進(jìn)行“或”運(yùn)算，使之實(shí)現(xiàn)半加和及輸出功能。
所述的柵極和電極位于襯底絕緣層的溝槽內(nèi)，且柵極和電極的表面與絕緣層表面持平；所述襯底絕緣層的厚度為35nm至100μm；溝槽的深度為10nm至95μm。
本發(fā)明的目的再可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種碳納米管半加器的制備工藝包括下述步驟(i)首先制備柵極，在襯底上設(shè)絕緣層，在絕緣層上采用光刻法使絕緣層上的光刻膠形成刻痕，并采用干法刻蝕法在絕緣層上刻蝕溝槽，在溝槽內(nèi)沉積一導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上形成絕緣層，從而形成柵極；(ii)將一根超長(zhǎng)單壁碳納米管放置在襯底絕緣層上，并與柵極接觸；(iii)在碳納米管上，用聚焦離子束方法制備與柵極相間排列的16個(gè)電極；(iv)將將部分柵極連接恒壓源，使由其控制的碳納米管截止，其余部分的柵極、電極及碳納米管連接后，等效為10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路； 其中兩場(chǎng)效應(yīng)管形成邏輯“與”門器件；邏輯“與”門器件的兩柵極分別與兩初始信號(hào)輸入端相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出功能；兩初始信號(hào)輸入端還分別與兩個(gè)由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件的柵極相連，作為兩“非”門的輸入端；兩個(gè)邏輯“非”門的輸出信號(hào)又輸入下一極的邏輯“或否”門的輸入端，再分別與初始信號(hào)分組進(jìn)行邏輯“或否”運(yùn)算；由兩邏輯“或否”器件輸出的信號(hào)再分別與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件的兩柵極相連，作為邏輯“或”門的輸入信號(hào)進(jìn)行“或”運(yùn)算，使之實(shí)現(xiàn)半加和及輸出功能。
所述的柵極位于絕緣層的溝槽內(nèi)，電極位于絕緣層和單壁碳納米管之上；所述絕緣層的厚度為35nm至100μm；絕緣層溝槽的深度為10nm至95μm。
另在襯底絕緣層和碳納米管之上設(shè)電極，電極的高度為5nm至200μm。
圖中所示1、單壁碳納米管；2、柵極；3、電極；4、絕緣層；5、襯底；6、恒壓源；7、半加器的第一加數(shù)輸入端；8、半加器的第二加數(shù)輸入端；9、半加器的半加和輸出端；10、半加器的進(jìn)位輸出端；11、電阻。
器件制作完成后，其主體部分外形如

圖1所示。本實(shí)施例關(guān)于選擇器件一端起第二、第五、第八、第十一、第十三個(gè)柵極的連接恒壓源6的選擇方式只是作為一種代表性連接方式，并不是本發(fā)明僅限于此；這種方式只是一種相對(duì)較優(yōu)的連線方式。
實(shí)施例2選取(001)取向的硅作為襯底5。利用有機(jī)氣相沉積方法(PECVD)，在襯底5上制備300nm厚的SiO2絕緣層4。首先制作柵極2在SiO2絕緣層4之上均勻涂抹厚度為80nm厚的電子光刻膠(PMMA)。電子束曝光后的光刻膠經(jīng)過(guò)顯影、定影，去除曝光的光刻膠后，在光刻膠層上形成15條寬30nm、相距200nm的溝槽。使用干法刻蝕法刻蝕沒有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層4上形成寬30nm，深30nm的溝槽。利用電子束蒸發(fā)的方法，在整個(gè)器件表面沉積一層30nm厚的Al。將光刻膠剝離、清洗，再經(jīng)過(guò)氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3絕緣層。選擇一根長(zhǎng)為3.6μm、載流子濃度為9×106cm-1的超長(zhǎng)單壁碳納米管1，用原子力顯微鏡將其置于整個(gè)器件之上。要求碳納米管放置平直，方向基本與柵極2方向垂直，并且要與所有的柵極2接觸良好。碳納米管1放置到位后，分別在兩個(gè)柵極2的中間和外側(cè)50nm的位置，用聚焦離子束(FIB)方法在碳納米管1之上制備16條寬度為0.1μm、高度為200nm的鉑(Pt)電極3。對(duì)器件進(jìn)行封裝后，再參照?qǐng)D3接線實(shí)現(xiàn)半加。以圖3為例即將從本實(shí)施例的器件一端起的第二、第五、第八、第十一、第十三個(gè)柵極2連接恒壓源6，使由這些柵極控制的部分碳納米管1截止。這樣剩余的柵極2、電極3和碳納米管1可以組成相互獨(dú)立的邏輯器件，由這些邏輯器件相連后，等效于10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管連接而成的電路；由其中兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極3并聯(lián)形成邏輯“與”門器件101；所述的邏輯“與”器件101的結(jié)構(gòu)為兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極3并聯(lián)后一端通過(guò)電阻11與恒壓6相連，另一端接地。邏輯“與”門器件101的兩柵極2分別與兩輸入端7、8相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出；兩初始信號(hào)輸入端7、8還分別與兩由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件102的輸入端——柵極2相連；所述的邏輯“非”器件102的兩電極3串連接恒壓源后，其剩余兩電極3作為邏輯“非”門輸出端。兩邏輯“非”門的輸出信號(hào)分別相互與對(duì)方“非”門的初始輸入信號(hào)分組后，再與兩由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或否”器件103的兩輸入端——柵極2相連；邏輯“或否”器件103的兩場(chǎng)效應(yīng)管的兩電極3串接后，其一端電極3接地，另一端電極3輸出邏輯“或否”信號(hào)再與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件104的一輸入端——柵極2相連；所述邏輯“與”器件104的結(jié)構(gòu)為兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極3串接后，一端電極3接地，另一端電極3連接電阻和恒壓源，同時(shí)作為半加和信號(hào)的輸出端。
器件制作完成后，其主體部分外形如圖2所示。本實(shí)施例關(guān)于選擇器件一端起第二、第五、第八、第十一、第十三個(gè)柵極的連接恒壓源6的選擇方式只是作為一種代表性連接方式，并不是本發(fā)明僅限于此；這種方式只是一種相對(duì)較優(yōu)的連線方式。
下面結(jié)合單壁碳納米管的電學(xué)性質(zhì)和本發(fā)明的原理圖3和等效電路圖4，說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。
本發(fā)明選用超長(zhǎng)單壁碳納米管。這種單壁碳納米管的性質(zhì)是在常溫下有較好的導(dǎo)電性，其電阻一般為幾百個(gè)kΩ。由實(shí)驗(yàn)可知其載流子為空穴，導(dǎo)電類型為P型。其導(dǎo)電性能隨柵壓的改變而改變。在正向柵極偏壓的作用下，載流子——空穴的濃度將減小。當(dāng)柵壓增大到一定值時(shí)，碳納米管將處于截止?fàn)顟B(tài)。在絕緣層厚度為140nm的情況下，柵極電壓在6V左右，碳納米管中的空穴將被完全耗盡，碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。同時(shí)，我們可知此時(shí)，若保持碳納米管的截止?fàn)顟B(tài)，在碳納米管兩端所加的偏壓應(yīng)不大于1.5V。(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，Vol.73，No.17，2447.)所以我們規(guī)定在本發(fā)明的電路中，1.2V為邏輯值“1”，0V為邏輯值“0”。
在數(shù)字邏輯電路中，統(tǒng)一的邏輯值是非常重要的，數(shù)字邏輯電路中的所有的部分都應(yīng)遵守這個(gè)規(guī)定，這樣才能夠保證電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高、計(jì)算可靠。除了輸入端和輸出端要遵守這個(gè)規(guī)定之外，控制碳納米管的柵極也必須遵守這個(gè)規(guī)定。
由以上討論我們可知在柵極絕緣層厚度為140nm時(shí)，柵極的耗盡電壓為6V。我們通過(guò)下面的計(jì)算確定，柵極的耗盡電壓為1.2V時(shí)，柵極絕緣層的厚度。
已知，碳納米管與柵極之間的截?cái)嚯妷捍嬖谙铝嘘P(guān)系Q＝CVG，T(1)VG，T為截?cái)嚯妷?，Q為載流子所帶電荷，C為碳納米管和柵極之間的電容。
Q與載流子濃度滿足公式Q＝peL (2)p為載流子濃度；e為載流子所帶電荷，在p型碳納米管中載流子為空穴，所以這里e＝+1.6×10-19庫(kù)侖；L為碳納米管與柵極接觸部分的長(zhǎng)度。
又知碳納米管與柵極之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r)(3)h為碳納米管與柵極之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為碳納米管半徑；ε是介電常數(shù)，在這里我們?nèi)ˇ牛?.5將公式(2)、(3)帶入公式(1)中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，T最后可得h=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)......(4)]]>本發(fā)明選擇載流子濃度為9×106cm-1的超長(zhǎng)單壁碳納米管(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，Vol 73，No.17，2447.)。單壁碳納米管半徑為0.8nm，截止電壓為1.2V。帶入公式(4)可得h≈3nm。即在本發(fā)明中，當(dāng)Al2O3絕緣層厚度不大于3nm的情況下，單壁碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。
這個(gè)結(jié)論在本發(fā)明中是非常重要的。在需要的柵極上通恒定電壓1.2V，使超長(zhǎng)碳納米管部分截止，以等效為若干個(gè)獨(dú)立的單根碳納米管形成的場(chǎng)效應(yīng)管。這些場(chǎng)效應(yīng)管可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)自身的功能。這是本發(fā)明的基礎(chǔ)。
半加器的真值表如圖5所示。通過(guò)真值表可以看出，半價(jià)和輸出端等效于一“異或”門，進(jìn)位端等效于一“與”門。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，沒有現(xiàn)成的“異或”門設(shè)計(jì)，但是可以通過(guò)邏輯運(yùn)算的規(guī)則，將其轉(zhuǎn)換成“非”、“或否”和“或”運(yùn)算的組合。過(guò)程如下F=A⊕B=A-B+AB-=A-+B‾+A+B-‾]]>這樣我們就將“異或”運(yùn)算轉(zhuǎn)換為“非”、“或否”和“或”的邏輯運(yùn)算。所以可得 公式中out代表輸出端，in代表輸入端。
根據(jù)邏輯式(5)、(6)，可以得出電路原理圖4。從原理圖4中可以看出輸入in(7)分為三路，其中一路經(jīng)過(guò)一個(gè)“非”門后，與輸入in(8)進(jìn)行一次“或否”運(yùn)算；另一路與“非”in(8)進(jìn)行一次“或否”運(yùn)算；兩路運(yùn)算的結(jié)果再進(jìn)行一次“或”運(yùn)算，最后得到的結(jié)果為半加和out(9)；in(7)的第三路和in(8)作一次“與”運(yùn)算，得到的結(jié)果為進(jìn)位out(10)。
以等效原理圖為基礎(chǔ)，考慮到連線盡量避免交叉等因素，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化后，最后得到器件的連線圖3。從圖3中可以看出在器件中，通過(guò)在特定的柵極上加恒定偏壓，以截?cái)嗵技{米管，使其形成相對(duì)獨(dú)立的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管。并使這些場(chǎng)效應(yīng)管相互連接，構(gòu)成“非”、“或否”、“與”基本的邏輯門。再連接這些基本的邏輯門，以實(shí)現(xiàn)半加器功能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用了碳納米管的電學(xué)性質(zhì)，通過(guò)碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的集成，第一次實(shí)現(xiàn)了半加器——一個(gè)具體的功能器件。是碳納米管電路的一次大膽嘗試，必將對(duì)碳納米管電路的發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管半加器，包括碳納米管(1)、柵極(2)、電極(3)、絕緣層(4)、襯底(5)；在襯底(5)上設(shè)絕緣層(4)；其特征在于在絕緣層(4)上相間排列15個(gè)柵極(2)和16個(gè)電極(3)；一超長(zhǎng)碳納米管(1)與柵極(2)和電極(3)接觸；將部分柵極(2)與恒壓(6)相連，使由其控制的碳納米管(1)截止，其余部分的柵極(2)、電極(3)及碳納米管(1)連接后等效為10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路；由其中兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極(3)并聯(lián)形成邏輯“與”門器件(101)；所述邏輯“與”門器件(101)的兩輸入端——柵極(2)分別與兩初始信號(hào)輸入端(7)、(8)相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出；兩初始輸入端(7)、(8)還分別與兩個(gè)由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件(102)的柵極(2)相連；兩邏輯“非”輸出信號(hào)分別與初始輸入端(7)、(8)信號(hào)分組后，再分別連接兩個(gè)由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或否”器件(103)的輸入端——柵極(2)；由兩邏輯“或否”器件(103)輸出的信號(hào)再分別與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件(104)的兩輸入端——柵極(2)相連；由其實(shí)現(xiàn)半加和及輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管半加器，其特征在于所述的邏輯“與”器件(101)的兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極(3)并聯(lián)后一端通過(guò)電阻(11)與恒壓(6)相連，同時(shí)作為輸出端，另一端接地。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管半加器，其特征在于所述的邏輯“或”器件(104)的兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極(3)串接后，一電極(3)接地，另一電極(3)輸出半加信號(hào)，并通過(guò)電阻(11)與一恒壓(6)相連。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管半加器，其特征在于所述的柵極(2)與電極(3)之間的距離為5nm至100μm；柵極(2)和電極(3)的寬度為10nm至50μm。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管式集成場(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于所述的柵極(2)表面為絕緣層，其厚度為1nm至5nm。
6.一種碳納米管半加器的制備工藝，其特征在于包括下述步驟(i)首先制備柵極(2)，在襯底上設(shè)絕緣層(4)，在絕緣層(4)上采用光刻法使絕緣層(4)上的光刻膠形成刻痕，并采用干法刻蝕法在絕緣層(4)上刻蝕溝槽，在溝槽內(nèi)沉積一導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上形成絕緣層，從而形成柵極(2)；(ii)重復(fù)上述刻蝕方法，在絕緣層(4)上沉積一導(dǎo)電層形成與柵極(2)相間排列的16個(gè)電極(3)；(iii)將一超長(zhǎng)單壁碳納米管(1)放置在襯底絕緣層(4)上，并與柵極(2)和電極(3)接觸；(iv)將部分柵極(2)與恒壓(6)相連，使由其控制的碳納米管(1)截止，其余部分的柵極(2)、電極(3)及碳納米管(1)連接后，等效為10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路；由其中兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極(3)并聯(lián)形成邏輯“與”門器件(101)；邏輯“與”門器件(101)的兩輸入端——柵極(2)分別與兩初始信號(hào)輸入端(7)、(8)相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出；兩初始信號(hào)輸入端(7)、(8)還分別與兩個(gè)由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件(102)的輸入端——柵極(2)相連；兩邏輯“非”輸出信號(hào)分別與初始信號(hào)輸入端(7)、(8)信號(hào)分組后，再分別與兩個(gè)由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或否”器件(103)的輸入端——柵極(2)相連；兩邏輯“或否”器件(103)輸出的信號(hào)再分別與由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件(104)的兩輸入端——柵極(2)相連，由其實(shí)現(xiàn)半加和及輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的碳納米管半加器的制備工藝，其特征在于所述的柵極(2)和電極(3)位于絕緣層(4)的溝槽內(nèi)，且柵極(2)和電極(3)的表面與絕緣層(4)表面持平；所述絕緣層(4)的厚度為35nm至100μm；絕緣層(4)溝槽的深度為10nm至95μm。
8.一種碳納米管半加器的制備工藝，其特征在于包括下述步驟(i)首先制備柵極(2)，在襯底上設(shè)絕緣層(4)，在絕緣層(4)上采用光刻法在絕緣層(4)上形成刻痕，并采用干法刻蝕法在絕緣層(4)上刻蝕溝槽，在溝槽內(nèi)沉積一導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上形成絕緣層，從而形成柵極(2)；(ii)將一根超長(zhǎng)單壁碳納米管(1)放置在襯底絕緣層(4)上，并與柵極(2)接觸；(iii)在碳納米管(1)上，用聚焦離子束方法制備與柵極(2)相間排列的16個(gè)電極(3)；(iv)將部分柵極(2)與恒壓(6)相連，使由其控制的碳納米管(1)截止，其余的柵極(2)、電極(3)及碳納米管(1)連接后，等效為10個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路；其中，兩場(chǎng)效應(yīng)管的電極(3)并聯(lián)形成邏輯“與”門器件(101)；邏輯“與”門器件(101)的兩輸入端——柵極(2)分別與兩初始信號(hào)輸入端(7)、(8)相連，由其實(shí)現(xiàn)半加器的進(jìn)位及輸出功能；兩初始信號(hào)輸入端(7)、(8)還分別與兩個(gè)由一場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“非”器件(102)的輸入端——柵極(2)相連；兩邏輯“非”門的輸出信號(hào)分別與初始信號(hào)輸入端(7)、(8)分組后，再分別與兩個(gè)由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或否”器件(103)的輸入端——柵極(2)相連；由兩邏輯“或否”器件(103)輸出的信號(hào)再分別作為邏輯“或”器件的輸入端，進(jìn)入由兩場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯“或”器件(104)的兩輸入端——柵極(2)，由其實(shí)現(xiàn)半加及輸出。
9.如權(quán)利要求8所述的碳納米管半加器的制備工藝，其特征在于所述的柵極(2)位于絕緣層(4)的溝槽內(nèi)，電極(3)位于絕緣層(4)和單壁碳納米管(1)之上；所述絕緣層(4)的厚度為35nm至100μm；絕緣層(4)溝槽的深度為10nm至95μm。
10.如權(quán)利要求8或9所述的碳納米管半加器的制備工藝，其特征在于其特征在于襯底絕緣層(4)和碳納米管(1)之上設(shè)電極(3)，電極(3)的高度為5nm至200μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微電子器件及其制備工藝，特別是一種以碳納米管為基礎(chǔ)的半加器；主要由一超長(zhǎng)單壁碳納米管、15個(gè)獨(dú)立的柵極和16個(gè)獨(dú)立的電極構(gòu)成；在特定的柵極上加恒定偏壓，使碳納米管截?cái)?，形成若干個(gè)獨(dú)立的碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管；再根據(jù)設(shè)計(jì)連接這些場(chǎng)效應(yīng)管，并連接必要的電阻和恒壓源，實(shí)現(xiàn)半加器功能；與其它碳納米管邏輯電路相比，本發(fā)明第一次通過(guò)一種碳納米管的集成方式實(shí)現(xiàn)了具體的半加功能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作。
文檔編號(hào)H01L27/00GK1467841SQ0212366
公開日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2002年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者趙繼剛, 王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所