专利名称：光强度调节的场效应晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明属于光强度调节的场效应晶体管，特别涉及一种具有光强度调节的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管，以及该氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的制备方法。
背景技术：
纳米电子器件的研究如今已成为纳米科学与技术领域里一个重要的研究方向。碳纳米管或纳米线由于其独特的电学性能，已经成为构筑纳米电子器件的首要组成部分，引起科学家广泛关注。目前利用单壁纳米碳管和纳米线已经制备了不同的电子元器件，如纳米二极管，场效应晶体管以及由纳米二极管或晶体管组成的逻辑电路等(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))。在纳米电子器件中，带有不同结的纳米单元是极其重要的，是整个纳米电路的关键组成部分，因此具有T形和Y形的多壁碳管已被制备和研究(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)。但对于这些纳米结的研究大多只集中在它们的电学性质上，而对它们的光学性能研究很少。
发明内容
本发明的目的之一是利用一种氮化碳/碳纳米管作为半导体材料，制备出一种具有光强度调节的场效应晶体管。与传统的电子器件不同，电流的形成不是靠电场或磁场，而是靠光场，且电流的大小可由光的强度来调控。
本发明的再一目的是提供一种光强度调节的场效应晶体管的制备方法。
本发明的还一目的是提供一种氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的制备方法。
本发明的光强度调节的场效应晶体管是一种由光强度来调节光电流大小的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管。所述的场效应晶体管是以高掺杂硅为基材，首先在一面镀有金电极的高掺杂硅的另一面热氧化一层二氧化硅，厚度为400～1000纳米，金电极作为场效应晶体管的栅极，二氧化硅层作为场效应晶体管的绝缘层，再在二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au阵列电极对，Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积有Pt电极引线与Ti/Au电极相连。单根氮化碳/碳纳米管为场效应晶体管的半导体材料。所制备的场效应晶体管带有源、漏电极和栅极，用于性能测试。
所述的Ti/Au电极为阵列电极对(或称电极对阵列)；其电极宽度为0.5～1.5微米，电极对之间距离为5～10微米；所述氮化碳/碳纳米管直径为40～60纳米，长度为2～5微米；在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积有Pt电极引线与Ti/Au电极相连，Pt电极引线的宽度在300纳米～2微米之间。该场效应晶体管的电流大小可由光的强度来调控，这种纳米器件具有典型的场效应性能。该场效应晶体管在可见光区有一个很宽范围的光电流响应，其中对720纳米处波长的光最敏感。在5毫瓦/平方厘米强度的白光照射下，其开关比最高可达104。所有的测试都是在空气中进行的。
本发明的光强度调节的场效应晶体管是按如下步骤进行制备的(1)在高掺杂硅基材表面热氧化一层二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au阵列电极对，高掺杂硅基材反面的金电极为场效应晶体管的栅电极；(2)将氮化碳/碳纳米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(体积比1∶1)，将含氮化碳/碳纳米管的悬浮液滴在步骤(1)带电极对的二氧化硅/高掺杂硅/金基底表面；(3)待溶剂挥发完全后，将步骤(2)得到的产品放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系统的真空室内，用2～6皮安的聚焦粒子束电流观察到基片上的氮化碳/碳纳米管，氮化碳/碳纳米管直径为40～60纳米，长度为2～5微米，再在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积Pt电极引线与Ti/Au电极相连；Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，金电极为场效应晶体管的栅电极，用于性能的检测；(4)性能的检测，测试仪器为探针台(Wentworht，MP1008)，600型伏安分析器(CH instrument，USA)，功率和能量计(372型，Scienteck)，滤波器(Toshiba IRA-25s，Japan)。利用上述仪器测器件的光电性能。
在上述氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的制备方法中，Ti/Au阵列电极对，其电极宽度为0.5～1.5微米，对电极间距离为5～10微米。
在上述的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的制备方法中，其所述氮化碳/碳纳米管直径为40～60纳米，长度为2～5微米；Pt电极引线的宽度在300纳米～2微米之间。
所述的氮化碳/碳纳米管的制备方法参见(刘云圻，胡平安，肖恺，王贤保，付磊，朱道本，申请号02160815.6)；所述的高掺杂硅是p型高掺杂硅，购于北京有色金属研究总院。
本发明人利用单根的碳化氮/碳纳米管，制备了一种具有种光强度调节的场效应晶体管。与传统的场效应晶体管不同，电流的形成不是靠电场或磁场，而是靠光场，且电流的大小可由光的强度来调控。
本发明的光强度调节的场效应晶体管具有以下特征和优点1.本发明制备的氮化碳/碳纳米管，在可见光区有一个很宽范围的光电流响应，其中对720纳米处波长的光最敏感。
2.本发明制备的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管具有优异的场效应特性。光电流的大小可由光的强度来调节。具有很高的开关比，在5毫瓦/平方厘米强度的白光照射下，其开关比最高可达104。
3.在白光照射下的碳管的电流电压曲线是非线形的，这是由于碳管中掺杂了氮元素而形成的肖特基结所致。
4.本发明制备纳米器件的电极利用了聚离子束光刻技术，可以直接观察到基底上沉积的单根氮化碳/碳纳米管，并能在氮化碳/碳纳米管的两端原位制备电极。工艺简单，而且接触电阻小。
图1本发明实施例1一束碳化氮/碳纳米管(插图为单根碳化氮/碳纳米管)的透射电子显微镜照片。
图2本发明实施例1光强度调节的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。
图3本发明实施例1氮化碳/碳纳米管场效应晶体管在可见光区产生的光电流。
图4本发明实施例1在5毫瓦/平方厘米强度的白光下(开或关)，开关性能。
图5本发明实施例1氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的暗电流和光电流(26毫瓦/平方厘米，白光)。
图6本发明实施例1不同强度的白光照射下其光电流和电压的输出曲线。
附图标记1.铂 2.氮化碳/碳纳米管 3.钛4.二氧化硅 5.高掺杂硅 6.金具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进行详细说明。但本发明并不限于此例。
实施例11.器件制备在p型高掺杂硅基材(北京有色金属研究总院产品)表面热氧化一层二氧化硅(SiO2，500纳米)，再在二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au阵列电极对，电极宽度为1微米，对电极间距离为6微米。然后把制备好的氮化碳/碳纳米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(体积比1∶1)，氮化碳/碳纳米管的制备方法参见(刘云圻，胡平安，肖恺，王贤保，付磊，朱道本，申请号02160815.6)，将一滴含碳管的悬浮液滴在带电极对的二氧化硅/高掺杂硅/金基底上。待溶剂挥发完全后，放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系统的真空室内，用4皮安的聚焦粒子束电流观察到基片上的氮化碳/碳纳米管(直径为45纳米，长度为3微米，最后在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积Pt电极引线与Ti/Au电极相连。Pt电极引线的宽度为2微米。Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，高掺杂硅基材反面的金电极为场效应晶体管的栅电极，用于性能的检测。器件结构示意图如图2所示。
2.器件性能利用探针台和600型伏安分析器测量了场效应晶体管的光电流。利用功率和能量计测量了光强度。红外光用滤波器过滤过，防止在照射过程中电极被加热。氮化碳/碳纳米管场效应晶体管在可见光区有一个很宽范围的光电流响应，其中对720纳米处波长的光最敏感(图3)。器件的开关性能如图4所示，器件具有很高的开关比，在5毫瓦/平方厘米强度的白光照射下，其开关比最高可达104。图5为氮化碳/碳纳米管场效应晶体管的暗电流和光电流(26毫瓦/平方厘米，白光)与电压的关系，在白光照射下的氮化碳/碳纳米管的电流电压曲线是非线的，这是由于氮化碳/碳纳米管中掺杂了氮元素而形成的肖特基结所致。不同强度的白光照射下其光电流和电压的输出曲线如图6所示，电流的大小可由光的强度来调节。对于传统的场效应晶体管，电流的调控是靠电场或磁场，而本发明的场效应晶体管，其电流是靠光场来调控的。它实际上是一个光场效应晶体管。
实施例2按实施例1的器件制备方法，唯一不同的是氮化碳/碳纳米管的直径为55纳米，长度为4微米，所得器件性能同实施例1。
实施例3按实施例1的器件制备方法，唯一不同的是对电极间的距离为8微米，所得器件性能同实施例1。
权利要求
1.一种光强度调节的场效应晶体管，其特征是所述的场效应晶体管是一种由光强度来调节光电流大小的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征是所述的场效应晶体管是以高掺杂硅为基材，在高掺杂硅的一面热氧化一层二氧化硅，在二氧化硅表面制备Ti/Au阵列电极对，Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积有Pt电极引线与Ti/Au电极相连，单根氮化碳/碳纳米管为场效应晶体管的半导体材料；高掺杂硅基材反面的金电极为场效应晶体管的栅电极。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征是所述的Pt电极引线的宽度在300纳米～2微米之间。
4.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征是所述的Ti/Au电极对宽度为0.5～1.5微米，电极对之间距离为5～10微米。
5.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其特征是所述的氮化碳/碳纳米管直径为40～60纳米，长度为2～5微米。
6.根据权利要求1或2所述的场效应晶体管，其特征是所述的场效应晶体管在5毫瓦/平方厘米强度的白光照射下，其开关比达104。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的光强度调节的场效应晶体管的制备方法，其特征是，所述的方法按如下步骤进行(1)在高掺杂硅基材表面热氧化一层二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au阵列电极对，高掺杂硅基材反面的金电极为场效应晶体管的栅电极；(2)将氮化碳/碳纳米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里，将含氮化碳/碳纳米管的悬浮液滴在步骤(1)带电极对的二氧化硅基底表面；(3)待溶剂挥发完全后，将步骤(2)得到的产品放入IDS P2X聚焦粒子束系统的真空室内，再在单根氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积Pt电极引线与Ti/Au电极相连，Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，金电极为场效应晶体管的栅电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的Ti/Au阵列电极对，其电极宽度为0.5～1.5微米，电极对之间距离为5～10微米。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的氮化碳/碳纳米管直径为40～60纳米，长度为2～5微米；Pt电极引线的宽度在300纳米～2微米之间。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的四氯化碳和二氯苯溶液的体积比是1∶1。
全文摘要
本发明涉及一种具有光强度调节的氮化碳/碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。与传统的场效应晶体管不同，电流的形成不是靠电场或磁场，而是靠光场，且电流的大小可由光的强度来调控。所述的场效应晶体管是以高掺杂硅为基材，在热氧化的二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au阵列电极对，将含氮化碳/碳纳米管的四氯化碳和二氯苯溶液滴在带电极对的二氧化硅表面，在氮化碳/碳纳米管的两端原位沉积Pt电极引线与Ti/Au电极相连。单根氮化碳/碳纳米管为场效应晶体管的半导体材料。Ti/Au电极对分别作为场效应晶体管的源、漏电极，高掺杂硅基材反面的金电极为场效应晶体管的栅电极。该场效应晶体管的源漏电流可由光的强度来调控。
文档编号H01L31/0224GK1797790SQ20041010183
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者刘云圻, 肖恺, 孙艳明, 胡平安, 翟锦, 于贵, 胡文平, 江雷, 朱道本 申请人:中国科学院化学研究所