專利名稱：一種基于碳納米管場效應(yīng)晶體管的倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及碳納米管的場效應(yīng)晶體管，特別涉及基于碳 納米管的場效應(yīng)晶體管的倍頻器。
背景技術(shù)：
以碳材料為基的納米電子學(xué)，尤其是碳納米管(Carbon Nanotube)為基的納米 電子學(xué)，被認(rèn)為具有極大的應(yīng)用前景，尤其是在射頻(RF)應(yīng)用領(lǐng)域(Rutherglen，C. et al. Nature Nanotechnology，2009，4，811-819.)。自從 1991 年碳納米管被人們成功制備 出來以來(Iijima, S. Nature，1991，354，56-58.)，碳基的電子學(xué)取得了巨大的進(jìn)展?；?碳納米管的電子學(xué)因其尺寸小、速度快、功耗低、工藝簡單等特點受到人們越來越廣泛的關(guān) 注。一般來說，碳納米管可以基于其禁帶寬度被分為三類，一是大禁帶寬度的碳納米管(指 能實現(xiàn)100倍以上的場效應(yīng)開關(guān)電流比的半導(dǎo)體型單壁碳納米管)，二是沒有禁帶寬度的 碳納米管(包括金屬型的單壁碳納米管或多壁碳納米管)，三是小禁帶寬度的碳納米管(可 以是單壁碳納米管或者具有半導(dǎo)體外殼的多壁碳納米管，能實現(xiàn)1-100倍場效應(yīng)開關(guān)電流 比)?；诎雽?dǎo)體型碳納米管的場效應(yīng)晶體管的性能已經(jīng)被人們推向了極致，并且最終得 到了完美對稱的互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)反相器(Zhang，Z.Y. et al. ACS Nano, 2009，3，3781-3187.)。而金屬型的碳納米管也被證實很適合用來實現(xiàn)場效應(yīng)晶體管之間的 互聯(lián)，并且具有極高的高頻響應(yīng)(Close, G. F. et al. Nano Letters，2008，8，706-709.)。而 小禁帶寬度的碳納米管卻一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。倍頻器(Frequency Multiplier)是使輸出信號頻率等于輸入信號頻率整數(shù)倍的 電路?，F(xiàn)有的倍頻器有晶體管倍頻器、變?nèi)荻O管倍頻器、階躍恢復(fù)二極管倍頻器等?，F(xiàn)有 的倍頻器，其電路復(fù)雜，需要很多后續(xù)的信號處理電路，如整流電路、濾波電路等，且轉(zhuǎn)換效 率不是很高，而且工作在極高頻(10GHz以上)的倍頻器其價格也十分昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于擴展小禁帶寬度碳納米管的應(yīng)用范圍，采用基于小禁帶寬度碳 納米管的場效應(yīng)晶體管通過簡單的架構(gòu)實現(xiàn)高性能的倍頻器。小禁帶寬度的碳納米管可以提供良好的雙極性特性，既可以通過電子導(dǎo)電也可以 通過空穴導(dǎo)電。以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道制備的場效應(yīng)晶體管的典型結(jié)構(gòu)包括位 于導(dǎo)電通道兩端的源端(即源電極)和漏端(即漏電極)，以及位于源漏之間的柵極(即柵 電極)，所述柵極與導(dǎo)電通道之間為絕緣層，該場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線Ids-Vgs(漏端 采用電壓偏置的情況)和Vds-Vgs(漏端采用電流偏置的情況)分別如圖1和圖2所示，可以 看出該場效應(yīng)晶體管可以表現(xiàn)出良好的對稱的雙極性，這樣的性能很適合用來做倍頻器。以小禁帶寬度碳納米管為基制作的場效應(yīng)晶體管作為器件的核心，可以簡單的實 現(xiàn)高性能的倍頻器。本發(fā)明的倍頻器包括一場效應(yīng)晶體管、一輸入端偏置直流源和一輸出 端偏置直流源，其中所述場效應(yīng)晶體管以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道，源端和漏端分
3別位于導(dǎo)電通道的兩端，柵極位于源漏之間，柵極與作為導(dǎo)電通道的碳納米管之間為絕緣 層；柵極為倍頻器的輸入端，源端接地，漏端為倍頻器的輸出端；輸入端偏置直流源將輸入 到輸入端的交流信號偏置到所述場效應(yīng)晶體管的直流轉(zhuǎn)移特性的電阻最大點；而輸出端偏 置直流源連接輸出端，給場效應(yīng)晶體管提供一個工作電源。輸入端偏置直流源連接輸入信號源，輸入的交流信號被輸入端偏置直流源偏置到 所述場效應(yīng)晶體管的直流轉(zhuǎn)移特性的電阻最大點(即直流電流最低點，也就是晶體管的工 作中心點)再輸入到輸入端。而在輸出端偏置直流源的驅(qū)動下，輸出端才可以采集到輸出 信號(對于碳納米管雙極性倍頻器來說，輸出端的直流偏置越大越好，但是也要考慮到器 件的電流承受能力而在將其限制在一個合適的范圍內(nèi)，否則會造成器件的永久失效)。本發(fā)明實現(xiàn)的雙極性倍頻器的工作電路和基本原理可如圖3所示。圖3所示電路 的核心部分是基于小禁帶寬度碳納米管的場效應(yīng)晶體管(FET) 1 ；場效應(yīng)晶體管1的柵極為 倍頻器的輸入端，輸入信號源連接直流偏置電壓4 (即輸入端偏置直流源)，輸入信號被偏 置后再輸入輸入端；源端接地；漏端為倍頻器的輸出端，輸出端連接直流電流源3 (即輸出 端偏置直流源)。直流偏置電壓4和直流電流源3都是用來給FET提供直流工作點的，其中 直流偏置電壓4是用來偏置輸入端的Vgs，而直流電流源3是用來提供輸出端的Ids(注直 流電流源3也可以用一串聯(lián)了電阻的直流電壓源代替，而對于電壓偏置來說是用來提供輸 出端的Vds)。其所示的基本原理是基于圖2所示的轉(zhuǎn)移特性(Vds-Vgs)。輸入信號2是一個 圓頻率為ω，峰峰值為Vppan的正弦信號，而輸出端信號則被電流源3所偏置，電流源3的大 小為Idd。通過場效應(yīng)晶體管1的轉(zhuǎn)移特性(Vds-Vgs)，我們可以得到其工作的中心點，然后通 過直流偏置電壓4將場效應(yīng)晶體管1偏置到工作區(qū)，然后輸出端就可以通過示波器5采集 到倍頻后的信號。輸出端的直流偏置也可以使用電壓偏置，這樣就需要在輸出端串聯(lián)一個 電阻，再接到電壓源上。具體來說，輸入信號在A點時，輸入電壓在工作中心點，所以器件的電阻處于其最 大值，那么輸出信號也應(yīng)該在電壓最大值A(chǔ)'點，當(dāng)輸入信號往B點變化時，輸出端的電壓 逐漸變小，從而在B'點達(dá)到電壓最小值，之后，輸入信號回到C點，輸出端再次同樣達(dá)到電 壓最大值C'點，然后輸入信號再到達(dá)D點和E點，相應(yīng)的輸出信號達(dá)到D'點和E'點。這 樣，對于一個周期的輸入信號，輸出信號卻出現(xiàn)了兩個周期，這樣就很簡單的實現(xiàn)了倍頻。 而且由于FET工作中心點附近的轉(zhuǎn)移特性的亞線性，使得輸出信號不需要經(jīng)過濾波就可以 展示出很好的波形。通過級聯(lián)圖3所示的倍頻器，也就是將第一級倍頻器的輸出信號作為第二級倍頻 器的輸入信號，即將第一級的輸出端接到第二級的輸入端上，這樣就可以在第二級的輸出 端得到相對于第一級輸入信號的四倍頻的信號。以此類推，可以進(jìn)一步得到八倍頻，十六倍 頻等頻率的信號，由于基于碳納米管的倍頻器的增益很大，這使得它可以實現(xiàn)多級的級聯(lián)。該器件的核心是以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道的場效應(yīng)晶體管，這種晶體管 由于其導(dǎo)電通道材料的禁帶寬度很小，所以其開關(guān)比也很小(能實現(xiàn)1-100倍開關(guān)比)。 同時它也具有很好的雙極導(dǎo)電性，也就是電子和空穴的導(dǎo)電性都很好，且具有比較好的對 稱性。該器件是典型的納米場效應(yīng)晶體管，源、漏端用來作為導(dǎo)電的兩端，柵極用來作為開 關(guān)端，通過調(diào)節(jié)柵極電壓來實現(xiàn)對導(dǎo)電通道的導(dǎo)電能力的調(diào)控。柵極不限于底柵或者頂柵 (獨立柵)，還可以是環(huán)柵等其他各種可實現(xiàn)柵調(diào)控的結(jié)構(gòu)。柵極和導(dǎo)電通道之間有絕緣層，通過絕緣層的電容效應(yīng)來實現(xiàn)調(diào)控。而整個器件的結(jié)構(gòu)也不限于自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或者非自 對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)場效應(yīng)的結(jié)構(gòu)都可以用來實現(xiàn)該倍頻器。上述源端和漏端的材料可以是金屬或者其他導(dǎo)電材料，例如鈦、鈀、金等；柵極的 材料可以是金屬或者其他導(dǎo)電材料，例如鈦、鈀、氮化鎢等；絕緣層的材料可以是氧化物、氮 化物或者氮氧化物，例如氧化硅、氧化鉿、氧化鋁、氧化釔、氮化硅等。本發(fā)明的倍頻器在工作時，整個場效應(yīng)晶體管的柵極交流輸入被偏置到直流電流 最低點，也就是溝道電阻最大點，這就是工作時的中心點，然后把源端接地，并且在漏端加 上一個直流的電流源或電壓源，同時用示波器偵測該點的交流信號，可以看到一個頻率為 輸入頻率的兩倍的信號可以被觀察到，由此就很簡單的實現(xiàn)了倍頻。本發(fā)明基于小禁帶寬度碳納米管場效應(yīng)晶體管的倍頻器和傳統(tǒng)的倍頻器相比，其 優(yōu)勢主要體現(xiàn)在1、該倍頻器構(gòu)成簡單，只需要一個場效應(yīng)晶體管，而不需要整流或者濾波的復(fù)雜 部分，由于良好的雙極性使得輸出的波形簡單干凈，大多數(shù)的信號都集中在二倍頻的頻率 上，并且降低的工藝復(fù)雜度，減小了成本；2、頻率響應(yīng)高，由于碳納米管中的載流子在輸運過程中幾乎不會遭受到表面的散 射，所以其遷移率很高，從而會有很高的截止頻率；3、信號增益大，可以通過提高電流源的大小來增加其輸出信號和輸入信號的比 值，從而增大器件的增益，這也有利于級聯(lián)的實現(xiàn)。


圖1是基于小禁帶寬度碳納米管的場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性(Ids-Vgs)曲線，其中， Vds自上而下從IV到0. IV，每條曲線減少0. IV。圖2是基于小禁帶寬度碳納米管的場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性(Vds-Vgs)曲線，其中， Ids自上而下從15μΑ到5μΑ，每條曲線減少ΙμΑ。圖3顯示了本發(fā)明基于小禁帶寬度碳納米管場效應(yīng)晶體管的倍頻器的工作原理 和工作電路。其中輸出信號中的A'、B'、C'、D'、E'點分別與輸入信號中的A、B、C、 D、E點對應(yīng)相同的時間點；1是器件的核心——場效應(yīng)晶體管(FET) ；2是輸入的正弦信號， 峰峰值為Vpp,in，圓頻率為ω ；3是輸出端的電流源Idd ；4是輸入信號的直流電壓偏置Vg,DC ； 5是采集信號使用的示波器(OS)。圖4是一種底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，其中11為導(dǎo)電通道碳納米管，12和13分別 為源漏電極，14是柵極的絕緣層，15是硅襯底。圖5是一種頂柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，其中21為導(dǎo)電通道碳納米管，22和23分別 為源漏電極，24是柵極的絕緣層，25是柵電極，26是絕緣基底。圖6顯示了基于本發(fā)明倍頻器的頻譜儀測試電路，其中1是器件的核心——場效 應(yīng)晶體管(FET) ；2是輸入的正弦信號，峰峰值為Vpp, in，圓頻率為ω ；3是輸出端的電流源 Idd ；4是輸入信號的直流電壓偏置Vg,DC ；6是直流和交流信號的隔離器(或偏置器，Bias-Τ)； 7是采集交流信號使用的頻譜儀(SA)。圖7是實施例2測量得到的頻譜曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例1如圖4所示的底柵結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管，以絕緣基底上的碳納米管11為導(dǎo)電通道； 碳納米管11上的兩個鈦電極分別為源電極12和漏電極13 ；基底是表面熱氧化處理過的硅 片，基底表面熱氧化得到的氧化硅作為柵介質(zhì)14(即柵電極15與碳納米管11之間的絕緣 層)，而基底重?fù)诫s的硅襯底15則作為柵電極。具體制備步驟如下在分布于基底上的小 禁帶寬度的碳納米管上通過光刻形成源、漏電極的形狀，蒸鍍一層50納米厚的鈦金屬層作 為源漏電極層，然后將樣品放進(jìn)丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到源漏金屬電極。所制備出來的場效應(yīng)晶體管通過實驗測量得到其轉(zhuǎn)移特性曲線，可以知道其工作 點，然后在柵電極15輸入一個已被偏置到工作點的IOkHz的正弦信號，把源電極12接地， 在漏電極13上接上一個10 μ A的直流電流源，同時將漏電極13也接到示波器上，這樣就可 以在示波器上看到一個頻率為20kHz的近似正弦的信號，也就是實現(xiàn)了倍頻。(具體的電路 圖和圖3所示相同)實施例2如圖5所示的頂柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，以分布在絕緣基底26上小禁帶寬度碳納 米管21為導(dǎo)電通道，碳納米管21上的兩個鈀電極分別為源電極22和漏電極23，柵介質(zhì)層 24是由原子層沉積得到的氧化鉿薄膜，柵電極25為蒸發(fā)得到的金屬鈦。具體制備步驟如 下1.在半導(dǎo)體碳納米管上通過光刻形成柵極形狀，通過原子層沉積方式生長一層 15納米左右的氧化鉿；2.馬上通過電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍一層20納米厚的金屬鈦作為柵電極層；3.將樣品放進(jìn)丙酮中剝離，制備出柵電極；4.光刻形成源、漏電極的形狀，蒸鍍一層50納米厚的鈀金屬層作為源漏電極層， 然后將樣品放進(jìn)丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到源漏金屬電極。將器件按照圖6所示的電路進(jìn)行連接，在場效應(yīng)晶體管(FET) 1的柵極輸入一個被 直流電壓4所偏置的IkHz的正弦波信號2，其中偏置電壓4需要通過測量場效應(yīng)晶體管的 直流轉(zhuǎn)移特性來得到。然后漏端通過一個偏置器(Bias-T)6將直流的電流源3連接上，同 時也是通過偏置器6將交流信號耦合到頻譜儀(SA)7中，從而就可以得到輸出信號的頻譜。 輸出信號的頻譜如圖7所示，可以看到信號功率95%以上都集中在倍頻2kHz處，可以顯示 出這種倍頻器的高效率。
權(quán)利要求
基于小禁帶寬度碳納米管的場效應(yīng)晶體管在倍頻器中的應(yīng)用，其中該場效應(yīng)晶體管以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道，源端和漏端分別位于導(dǎo)電通道的兩端，柵極位于源漏之間，柵極與作為導(dǎo)電通道的碳納米管之間為絕緣層；柵極作為倍頻器的輸入端，源端接地，漏端作為倍頻器的輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)開關(guān)電流比是 1-100。
3.一種倍頻器，包括一場效應(yīng)晶體管、一輸入端偏置直流源和一輸出端偏置直流源，其 中所述場效應(yīng)晶體管以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道，源端和漏端分別位于導(dǎo)電通道 的兩端，柵極位于源漏之間，柵極與作為導(dǎo)電通道的碳納米管之間為絕緣層；柵極為倍頻器 的輸入端，源端接地，漏端為倍頻器的輸出端；輸入端偏置直流源將輸入到輸入端的交流信 號偏置到所述場效應(yīng)晶體管的直流轉(zhuǎn)移特性的電阻最大點；而輸出端偏置直流源連接輸出 端，給場效應(yīng)晶體管提供一個工作電源。
4.如權(quán)利要求3所述的倍頻器，其特征在于，所述場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)開關(guān)電流比 是 1-100。
5.如權(quán)利要求3所述的倍頻器，其特征在于，所述輸入端偏置直流源是一個連接輸入 信號源的直流電壓源。
6.如權(quán)利要求3所述的倍頻器，其特征在于，所述輸出端偏置直流源是一個直流電流 源，或者是串聯(lián)了電阻的直流電壓源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳納米管場效應(yīng)晶體管的倍頻器。該倍頻器的核心部件是以小禁帶寬度碳納米管為導(dǎo)電通道的場效應(yīng)晶體管，以柵極作為輸入端，源端接地，漏端作為輸出端；將輸入端輸入的交流信號偏置到所述場效應(yīng)晶體管的直流轉(zhuǎn)移特性的電阻最大點，而輸出端用一偏置直流源給場效應(yīng)晶體管提供工作電源，即可實現(xiàn)倍頻。本發(fā)明的倍頻器轉(zhuǎn)換效率高，頻率響應(yīng)高，信號增益大，并且價格低廉，制作工藝簡單，不需要復(fù)雜的后期處理電路。
文檔編號H01L29/78GK101917161SQ201010219178
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者張志勇, 彭練矛, 王振興, 王勝 申請人:北京大學(xué)