專利名稱：光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別涉及一種具有光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以及該氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
納米電子器件的研究如今已成為納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里一個(gè)重要的研究方向。碳納米管或納米線由于其獨(dú)特的電學(xué)性能，已經(jīng)成為構(gòu)筑納米電子器件的首要組成部分，引起科學(xué)家廣泛關(guān)注。目前利用單壁納米碳管和納米線已經(jīng)制備了不同的電子元器件，如納米二極管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及由納米二極管或晶體管組成的邏輯電路等(M.Ouyang，J.L.Huang，C.L.Cheung，C.M.Lieber，Science 291，97(2001)；S.J.Tans，A.R.Verschueren，C.Dekker，Nature393，49(1998)；Y.Huang，X.F.Duan，Y.Cui，L.J.Lauhon，K.H.Kim，C.M.Lieber，Science 294，1313(2001))。在納米電子器件中，帶有不同結(jié)的納米單元是極其重要的，是整個(gè)納米電路的關(guān)鍵組成部分，因此具有T形和Y形的多壁碳管已被制備和研究(C.Papadopoulos，A.Rkitin，J.Li，A.S.Vedeneev，J.M.Xu，Phys.Rev.Lett.2000，85，3476；A.Perez-Garrido，A.Urbina，Carbon 2002，40，1227)。但對(duì)于這些納米結(jié)的研究大多只集中在它們的電學(xué)性質(zhì)上，而對(duì)它們的光學(xué)性能研究很少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是利用一種氮化碳/碳納米管作為半導(dǎo)體材料，制備出一種具有光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。與傳統(tǒng)的電子器件不同，電流的形成不是靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)，而是靠光場(chǎng)，且電流的大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)控。
本發(fā)明的再一目的是提供一種光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法。
本發(fā)明的還一目的是提供一種氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法。
本發(fā)明的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種由光強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)光電流大小的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是以高摻雜硅為基材，首先在一面鍍有金電極的高摻雜硅的另一面熱氧化一層二氧化硅，厚度為400～1000納米，金電極作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，二氧化硅層作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的絕緣層，再在二氧化硅表面用光刻技術(shù)制備Ti/Au陣列電極對(duì)，Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連。單根氮化碳/碳納米管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料。所制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管帶有源、漏電極和柵極，用于性能測(cè)試。
所述的Ti/Au電極為陣列電極對(duì)(或稱電極對(duì)陣列)；其電極寬度為0.5～1.5微米，電極對(duì)之間距離為5～10微米；所述氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長(zhǎng)度為2～5微米；在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連，Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)控，這種納米器件具有典型的場(chǎng)效應(yīng)性能。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管在可見光區(qū)有一個(gè)很寬范圍的光電流響應(yīng)，其中對(duì)720納米處波長(zhǎng)的光最敏感。在5毫瓦/平方厘米強(qiáng)度的白光照射下，其開關(guān)比最高可達(dá)104。所有的測(cè)試都是在空氣中進(jìn)行的。
本發(fā)明的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是按如下步驟進(jìn)行制備的(1)在高摻雜硅基材表面熱氧化一層二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技術(shù)制備Ti/Au陣列電極對(duì)，高摻雜硅基材反面的金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極；(2)將氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(體積比1∶1)，將含氮化碳/碳納米管的懸浮液滴在步驟(1)帶電極對(duì)的二氧化硅/高摻雜硅/金基底表面；(3)待溶劑揮發(fā)完全后，將步驟(2)得到的產(chǎn)品放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系統(tǒng)的真空室內(nèi)，用2～6皮安的聚焦粒子束電流觀察到基片上的氮化碳/碳納米管，氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長(zhǎng)度為2～5微米，再在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連；Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極，用于性能的檢測(cè)；(4)性能的檢測(cè)，測(cè)試儀器為探針臺(tái)(Wentworht，MP1008)，600型伏安分析器(CH instrument，USA)，功率和能量計(jì)(372型，Scienteck)，濾波器(Toshiba IRA-25s，Japan)。利用上述儀器測(cè)器件的光電性能。
在上述氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法中，Ti/Au陣列電極對(duì)，其電極寬度為0.5～1.5微米，對(duì)電極間距離為5～10微米。
在上述的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法中，其所述氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長(zhǎng)度為2～5微米；Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
所述的氮化碳/碳納米管的制備方法參見(劉云圻，胡平安，肖愷，王賢保，付磊，朱道本，申請(qǐng)?zhí)?2160815.6)；所述的高摻雜硅是p型高摻雜硅，購(gòu)于北京有色金屬研究總院。
本發(fā)明人利用單根的碳化氮/碳納米管，制備了一種具有種光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管不同，電流的形成不是靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)，而是靠光場(chǎng)，且電流的大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)控。
本發(fā)明的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有以下特征和優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明制備的氮化碳/碳納米管，在可見光區(qū)有一個(gè)很寬范圍的光電流響應(yīng)，其中對(duì)720納米處波長(zhǎng)的光最敏感。
2.本發(fā)明制備的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有優(yōu)異的場(chǎng)效應(yīng)特性。光電流的大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)。具有很高的開關(guān)比，在5毫瓦/平方厘米強(qiáng)度的白光照射下，其開關(guān)比最高可達(dá)104。
3.在白光照射下的碳管的電流電壓曲線是非線形的，這是由于碳管中摻雜了氮元素而形成的肖特基結(jié)所致。
4.本發(fā)明制備納米器件的電極利用了聚離子束光刻技術(shù)，可以直接觀察到基底上沉積的單根氮化碳/碳納米管，并能在氮化碳/碳納米管的兩端原位制備電極。工藝簡(jiǎn)單，而且接觸電阻小。


圖1本發(fā)明實(shí)施例1一束碳化氮/碳納米管(插圖為單根碳化氮/碳納米管)的透射電子顯微鏡照片。
圖2本發(fā)明實(shí)施例1光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明實(shí)施例1氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管在可見光區(qū)產(chǎn)生的光電流。
圖4本發(fā)明實(shí)施例1在5毫瓦/平方厘米強(qiáng)度的白光下(開或關(guān))，開關(guān)性能。
圖5本發(fā)明實(shí)施例1氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的暗電流和光電流(26毫瓦/平方厘米，白光)。
圖6本發(fā)明實(shí)施例1不同強(qiáng)度的白光照射下其光電流和電壓的輸出曲線。
附圖標(biāo)記1.鉑 2.氮化碳/碳納米管 3.鈦4.二氧化硅 5.高摻雜硅 6.金具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。但本發(fā)明并不限于此例。
實(shí)施例11.器件制備在p型高摻雜硅基材(北京有色金屬研究總院產(chǎn)品)表面熱氧化一層二氧化硅(SiO2，500納米)，再在二氧化硅表面用光刻技術(shù)制備Ti/Au陣列電極對(duì)，電極寬度為1微米，對(duì)電極間距離為6微米。然后把制備好的氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(體積比1∶1)，氮化碳/碳納米管的制備方法參見(劉云圻，胡平安，肖愷，王賢保，付磊，朱道本，申請(qǐng)?zhí)?2160815.6)，將一滴含碳管的懸浮液滴在帶電極對(duì)的二氧化硅/高摻雜硅/金基底上。待溶劑揮發(fā)完全后，放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系統(tǒng)的真空室內(nèi)，用4皮安的聚焦粒子束電流觀察到基片上的氮化碳/碳納米管(直徑為45納米，長(zhǎng)度為3微米，最后在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連。Pt電極引線的寬度為2微米。Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，高摻雜硅基材反面的金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極，用于性能的檢測(cè)。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
2.器件性能利用探針臺(tái)和600型伏安分析器測(cè)量了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光電流。利用功率和能量計(jì)測(cè)量了光強(qiáng)度。紅外光用濾波器過(guò)濾過(guò)，防止在照射過(guò)程中電極被加熱。氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管在可見光區(qū)有一個(gè)很寬范圍的光電流響應(yīng)，其中對(duì)720納米處波長(zhǎng)的光最敏感(圖3)。器件的開關(guān)性能如圖4所示，器件具有很高的開關(guān)比，在5毫瓦/平方厘米強(qiáng)度的白光照射下，其開關(guān)比最高可達(dá)104。圖5為氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的暗電流和光電流(26毫瓦/平方厘米，白光)與電壓的關(guān)系，在白光照射下的氮化碳/碳納米管的電流電壓曲線是非線的，這是由于氮化碳/碳納米管中摻雜了氮元素而形成的肖特基結(jié)所致。不同強(qiáng)度的白光照射下其光電流和電壓的輸出曲線如圖6所示，電流的大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)。對(duì)于傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，電流的調(diào)控是靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)，而本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其電流是靠光場(chǎng)來(lái)調(diào)控的。它實(shí)際上是一個(gè)光場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
實(shí)施例2按實(shí)施例1的器件制備方法，唯一不同的是氮化碳/碳納米管的直徑為55納米，長(zhǎng)度為4微米，所得器件性能同實(shí)施例1。
實(shí)施例3按實(shí)施例1的器件制備方法，唯一不同的是對(duì)電極間的距離為8微米，所得器件性能同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種由光強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)光電流大小的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是以高摻雜硅為基材，在高摻雜硅的一面熱氧化一層二氧化硅，在二氧化硅表面制備Ti/Au陣列電極對(duì)，Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連，單根氮化碳/碳納米管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料；高摻雜硅基材反面的金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的Ti/Au電極對(duì)寬度為0.5～1.5微米，電極對(duì)之間距離為5～10微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長(zhǎng)度為2～5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在5毫瓦/平方厘米強(qiáng)度的白光照射下，其開關(guān)比達(dá)104。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征是，所述的方法按如下步驟進(jìn)行(1)在高摻雜硅基材表面熱氧化一層二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技術(shù)制備Ti/Au陣列電極對(duì)，高摻雜硅基材反面的金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極；(2)將氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里，將含氮化碳/碳納米管的懸浮液滴在步驟(1)帶電極對(duì)的二氧化硅基底表面；(3)待溶劑揮發(fā)完全后，將步驟(2)得到的產(chǎn)品放入IDS P2X聚焦粒子束系統(tǒng)的真空室內(nèi)，再在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連，Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的Ti/Au陣列電極對(duì)，其電極寬度為0.5～1.5微米，電極對(duì)之間距離為5～10微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長(zhǎng)度為2～5微米；Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征是所述的四氯化碳和二氯苯溶液的體積比是1∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的氮化碳/碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管不同，電流的形成不是靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)，而是靠光場(chǎng)，且電流的大小可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)控。所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是以高摻雜硅為基材，在熱氧化的二氧化硅表面用光刻技術(shù)制備Ti/Au陣列電極對(duì)，將含氮化碳/碳納米管的四氯化碳和二氯苯溶液滴在帶電極對(duì)的二氧化硅表面，在氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連。單根氮化碳/碳納米管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料。Ti/Au電極對(duì)分別作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源、漏電極，高摻雜硅基材反面的金電極為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源漏電流可由光的強(qiáng)度來(lái)調(diào)控。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK1797790SQ20041010183
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者劉云圻, 肖愷, 孫艷明, 胡平安, 翟錦, 于貴, 胡文平, 江雷, 朱道本 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所