专利名称：一种基于半导体纳米材料的纳电子器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳电子器件领域，尤其涉及一种以半导体纳米材料特别是碳纳米管 为基的纳电子器件，以及实现半导体纳米材料与金属电极之间高性能n型接触的方法。
背景技术：
纳电子器件的研究是当今纳米科学技术中最为重要的领域。 一维或者准一维半 导体纳米材料具有独特的电学特性和光学特性，尤其是以碳纳米管为代表的半导体纳米 材料以其独特的电学性能被认为是最有希望的纳电子器件的构建材料之一。迄今为止， 用半导体纳米材料如碳纳米管构建的各种纳电子器件如场效应晶体管(FET)、 二极管、逻 辑运算电路、振荡器、解码器、红外发光器件、光探测器、生物以及化学传感器等已经 成功研制，单个器件的性能在许多方面已经超过目前的硅基微电子器件。使得纳米碳管 为代表的纳米电子器件的应用前景非常乐观。尤其是世界顶级的大公司如IBM， Intel等 的加大研究投入更加进一步促进了纳电子器件的实用化进程。 与硅基器件不同的是，包括碳纳米管在内的一维或者准一维纳米材料为基的各 种纳电子器件中与纳米材料接触所采用的源漏电极都是金属电极，这是由纳米材料的一 维特性决定的。因此碳纳米管器件加工中都不可避免的涉及到碳纳米管与外部电极、以 及各碳纳米管之间的连接问题。目前广泛采用的是用不同功函数的金属电极连接，即采 用各种微加工的方法选择适当的金属材料把碳纳米管连接起来构建成纳电子器件。目前 采用金属钯(Palladium, Pd)已经实现了与碳纳米管的p型高性能接触[A.Javey， J.Guo， Q.Wang， M丄undstrom， H.Dai， Nature, 424， 654(2003)]。采用Pd做接触电极的碳纳米 管场效应晶体管不仅可以获得欧姆接触，而且可以实现载流子的弹道输运，部分性能已 经远远超过了目前基于硅技术的p型金属氧化物半导体FET。众所周知，作为逻辑电路基 本单元的CMOS同时需要p型和n型FET。尽管弹道输运的p-型碳纳米管FET已经成功实 现，但n型碳纳米管FET的研究还远远落后于p型FET。目前用来制备n型碳纳米管FET 的方法主要有两种， 一种是采用低功函数的金属(如Al， Mg， Ca)[Y.Nosho， Y.Ohno， S.Kishimoto， T.Mizutani， Nanotechnology， 17， 3412(2006)， Ali Javey， Qian Wang， Woong Kim， and Hongjie Dai， IEEE IEDM2003]作为电极材料来实现金属与碳纳米管的n 型接触，另外一种是对碳纳米管本身进行电子型掺杂从而实现n型器件[A.Javey， R.Tu， D.B.Farmer， J.Guo， R.G.Gordon， andH.Dai， Nano Lett， 5， 345(2005)]。
但是，第一 种方法所报道的结果的n型器件的性能一般较差，开关电流比和开态电流值都比较小， 主要是所用的低功函数的金属并未与碳纳米管形成很好的欧姆接触， 一方面可能是金属 与碳纳米管的浸润性不好，金属镀层不能与碳纳米管形成很好的物理接触，另一方面大 多数低功函数金属本身化学活性较高，在金属表面很容易形成氧化物层( 一般的功函数较 高)，这些带有氧化物的金属靶材在镀膜工艺中容易形成化合物掺杂的金属接触，或者在 镀膜工艺中真空度不高带来的金属原子氧化也会导致难以形成高性能的n型接触。所以 普遍认为认为很难采用低功函数的金属作为接触电极来实现碳纳米管的欧姆接触的n型器件。第二种方法虽然可以得到性能较好的n型器件，由于碳管没有悬挂键，并且钾等 高化学活性的掺杂并不稳定，器件必须处于一定的化学环境中才行，当环境(如温度、气 氛)发生变化时器件的性能随之变化，实用性较差。因此，如何实现碳纳米管与金属电 极间的高性能的n型接触已经成了限制纳电子器件实用化的重要因素。中国发明专利ZL 200710090362.4采用金属钪(Scandium, Sc)作为电极材料制备出了性能接近理论极限的 碳纳米管n型场效应晶体管。但由于金属钪的产量相对较低，导致成本较高，约为金的 价格的5倍左右，难以在工业界大规模应用。因此需要寻求既能与碳纳米管形成高性能 n型接触，又在价格方面比较偏低的金属材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半导体纳米材料的纳电子器件及其制备方法， 一方面要能够使纳米材料与金属电极之间形成高性能的n型接触，另一方面又要使器件 的制作成本降低。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 —种基于半导体纳米材料的纳电子器件，包括一维半导体纳米材料和与之直接
接触的金属电极，其特征在于，所述金属电极为钇(Yttrium, Y)电极。 采用金属钇作为接触电极，能够与一维半导体纳米材料的导带形成欧姆接触，
使器件的性能达到最佳。 在上述纳电子器件中，所述一维半导体纳米材料优选为碳纳米管。
所述纳电子器件可以是电子型场效应晶体管(n型FET器件)，也可以是其他各种 高性能的纳电子器件，包括二极管、发光器件、光探测器、生物及化学传感器件等等。 其中，n型FET以一维的半导体纳米材料为导电通道，采用低功函数的钇金属作为源漏电 极材料与一维半导体纳米材料建立起欧姆接触电极联系。 本发明的纳电子器件的制备方法简单易行，以金属钇作为接触电极材料，通过 各种微加工技术，在金属钇与一维半导体纳米材料之间建立电极连接，二者直接连接即 可实现高性能的n型接触。常用微加工技术例如 通过光刻(电子束或光学光刻)在一维半导体纳米材料上形成所需电极的图案形 状，再蒸镀一层金属Y，然后剥离去除不需要的金属层，即在金属钇与半导体纳米材料 之间建立了电极连接。 利用上述的蒸镀方法制作Y电极时，优选在高真空环境中进行蒸镀，例如抽真 空至气压《3X 10-8Torr，更优选气压< 1 X l()-8Torr。 进一步的，在蒸镀前将金属Y靶材的表面用酸进行处理，能够去掉金属表面 的氧化物，或者在蒸镀金属过程中先将金属表面的氧化层蒸发掉，再进行正式样品的蒸 镀，可使器件的电极是由较纯的金属Y构成。 下面，本发明的特点和原理将主要通过基于碳纳米管的n型FET器件来阐述， 但其应用范围并不局限于碳纳米管，基本的工作原理对于其他基于一维半导体纳米材料 的n型器件同样适用。 本发明所涉及的纳电子器件的导电通道是本征型的碳纳米管或其他一维半导体 纳米材料，n型欧姆接触的实现并不需要对这个导电通道进行掺杂。理论上，低功函数的金属可以形成n型器件。能够实现n型欧姆接触的机理是由于碳纳米管的一维特性， 金属与半导体型碳纳米管接触时没有费米面钉扎效应，从而二者接触形成的Schottky势 垒高度主要由碳纳米管和金属材料的功函数差决定。碳纳米管的费米能级为4.5eV，直径 1.5nm的单壁碳纳米管的能隙约0.6eV，因此碳纳米管的导带底约为4.2eV。为实现n型 接触必须选择功函数低于4.5eV的金属材料做电极。对于大部分低功函数金属而言，虽 然功函数较低，例如Al(4.3eV)， Mg(3.60eV)和Ca(2.87eV)，但它们在空气中容易氧化， 一般的，低功函数金属的氧化物的功函数会明显高于金属本身，从而导致Schottky势垒 的升高。另外，许多低功函数金属与碳纳米管的浸润性也不好，这些都导致它们难以与 碳纳米管形成高性能的n型接触。 对于金属钇(Y)而言，其功函数为3.1eV(〈4.2eV)，并且在空气中也比较稳定， 同时Y与碳纳米管的浸润性能也比较好，金属Y能在碳纳米管表面形成完整的包裹，确 保了Y与碳纳米管能够形成很好的物理接触。同时，为了确保Y电极在制备过程中能 够保持原有特性以获得高性能的n型接触，蒸镀方法制备Y电极时需要在高真空的条件 下(例如抽真空至气压《3X10-8Torr)进行。 一般的，我们采用块状的金属Y在高真空环 境(气压《3 X 10-8Torr)下蒸镀，减小在蒸镀过程中高温条件下真空度不够可能导致的金属 Y原子氧化。进一步的，在蒸镀前将金属靶材的表面用酸进行处理，能够去掉金属表面 的氧化物，或者在蒸镀金属过程中先将金属表面的氧化层蒸发掉，再进行正式样品的蒸 镀，从而保证器件的电极是由较纯的金属Y构成。 采用Y作为金属电极材料与碳纳米管建立欧姆接触电极联系，不仅可以得到性 能稳定的n型器件，而且在碳纳米管中可以实现电子的弹道输运。用Y做电极的碳纳米 管场效应晶体管的开关电流比可以超过106，开态电流可以达到25yA以上，电子的迁移 率可以超过5100cmVVs，电子的平均自由程可以达到0.7ym。从在同一根碳管上钪和钇 分别作为接触电极的场效应器件对比来看，钇作为电极的n型器件在某些器件性能指标 上甚至超越钪。 本发明提出了利用Y作为金属电极材料与一维半导体纳米材料形成高性能n型接 触的思想，不仅可以用于制备高性能的n型FET，也可以用于制备以半导体纳米材料为基 的其他各种高性能的纳电子器件，包括碳纳米管的二极管，以及发光器件、光探测器、 生物及化学传感器件。根据上面的机理分析，以及本发明所附实施例的数据表明，利用 Y做电极材料制备出的碳纳米管纳电子器件(包括场效应晶体管、二极管、生物及化学传 感器件等)不仅性能优异、稳定，而且制备方法简单易行。虽然先前专利中金属钪电极 也能与纳米碳管形成很好的n型的欧姆接触，但是钇本身比钪电极成本要低很多，目前 市场价格相差1000倍左右。对于大规模应用而言，钇电极更具有优势。本发明对推动 纳电子器件的实用化进程具有非常重要的意义，具有广泛的应用前景。
图1是以Si02为底栅结构的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。 图2是以钇为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管(直径为2nm)场效应晶体管
的转移特性图。 图3是以钇为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管(直径为2nm)场效应晶体管的输出特性图。 图4是源(S)、漏(D)电极材料为钇，栅(G)电极材料为Ti的顶栅结构的碳纳米 管场效应晶体管的结构示意图。 图5是以钇为源漏电极的顶栅结构的单壁碳纳米管(直径为3nm)场效应晶体管 的转移特性图。 图6是以钇为源漏电极的顶栅结构的单壁碳纳米管(直径为3nm)场效应晶体管 的输出特性图。
具体实施例方式
下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发 明。 实施例1 :以钇(Y)为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管场效应晶体管及其制 备 如图1所示的以Si02为栅介质4、以Si为背栅5结构的单壁碳纳米管场效应晶 体管，其源(S)2、漏(D)3电极材料为钇(Y)，位于单壁碳纳米管1的两端。具体制备步 骤如下 l)通过定位生长，或者把分散好的碳管溶液滴到衬底上，从而获得位于Si/Si02 衬底上的碳纳米管； 2)通过扫描电镜或原子力显微镜观察，记录下碳纳米管的具体位置；
3)在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成电极的形状；
4)将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空至3X10-8Torr左右，以1A/S 的速率蒸镀一层50nm厚的金属Y ; 5)将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层即得到以&02衬底，以Si为背
栅结构的碳纳米管n型场效应晶体管。 用上述方法制备出的器件性能如图2、图3所示 当单壁碳纳米管的直径为2nm时，制备出的以钇(Y)为源漏电极的底栅结构的 单壁碳纳米管场效应晶体管的转移特性和输出特性分别如图2和图3所示，图2表明室 温下该器件的开态电阻约为32kQ，为n型欧姆接触，图3表明器件的饱和电流可以超过 20ii A。 以上结果表明纳米材料场效应晶体管中用钇0O作为金属电极材料的的确能够与 碳纳米管形成欧姆接触，获得高性能的n型器件。 实施例2 :以Y为顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管及其制备
如图4所示的以Y为顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管，其源(S)8、漏(D)10电 极材料均为钇(Y)，栅(G)6的电极材料为Ti，单壁碳纳米管ll位于Hf02栅介质层7之 下、SiC^9和Sil2组成的衬底之上。具体制备包括下列步骤 1)通过定位生长，或者把分散好的碳管溶液滴到衬底上获得位于Si/Si02衬底上 的碳纳米管； 2)通过扫描电镜或原子力显微镜观察记录下碳纳米管的具体位置；
3)涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成源、漏电极的形状；
4)将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空至3X10-8Torr左右，以1A/s 的速率蒸镀一层50nm厚的金属Y ; 5)在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成栅介质的形状；
6)将样品放进原子层沉积系统中生长一层栅介质层(Zr02， A1203或Hf02);
7)将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的介质层； 8)在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成栅介质的形状；
9)将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空至3X10-8Torr左右，以1A/s 的速率再蒸镀一层10nm厚的金属Ti ; IO)将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层即得到以Y为源漏电极的顶栅 结构的碳纳米管n型场效应晶体管。 当单壁碳纳米管的直径为3nm时，上述方法制备出的以钇00为源漏电极的顶栅 结构的单壁碳纳米管场效应晶体管的转移特性和输出特性分别如图5和图6所示，图5表 明顶栅结构器件在室温下的开关比达到5个数量级，开态电阻约为19kQ，为n型欧姆接 触，而且器件的亚阈值斜率约为73mV/Dec，图6表明器件饱和电流超过30 y A。
上述实施例都是通过以碳纳米管为导电通道的器件结构来阐述的，但是本发明 方法并不仅限于碳纳米管电子型场效应晶体管器件，可以用于制备基于其它半导体纳米 线、管、条带等一维和准一维的电子型场效应晶体管器件，以及二极管整流器件等。本 发明也不仅仅限于某几种器件结构，任何基于本发明的精髓加以修改的器件技术都属于 本发明的范畴。
权利要求
一种基于半导体纳米材料的纳电子器件，包括一维半导体纳米材料和与之直接接触的金属电极，其特征在于，所述金属电极为钇电极。
2. 如权利要求1所述的纳电子器件，其特征在于，所述一维半导体纳米材料为碳纳米管。
3. 如权利要求1所述的纳电子器件，其特征在于，所述纳电子器件是电子型场效应晶 体管，其导电通道为一维半导体纳米材料，源漏电极为钇电极。
4. 一种基于半导体纳米材料的纳电子器件的制备方法，以一维半导体纳米材料为导 电通道，采用金属钇作为接触电极材料，通过微加工技术在金属钇与半导体纳米材料之 间建立电极连接。
5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在金属钇与半导体纳米材料之间建立 电极连接的具体方法是通过光刻在一维半导体纳米材料上形成所需电极的图案形状， 再蒸镀一层金属钇，然后剥离去除不需要的金属层。
6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在高真空环境中蒸镀金属钇。
7. 如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高真空环境是抽真空至气压 《3X10—8Torr。
8. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用块状的金属钇进行蒸镀。
9. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在蒸镀前将金属钇靶材的表面用酸进 行处理，去掉表面的氧化物。
10. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，蒸镀时先将金属钇表面的氧化层蒸 发掉，再进行正式样品的蒸镀。
全文摘要
本发明公开了一种基于半导体纳米材料的纳电子器件及其制备方法。采用低功函数的金属钇作为接触电极材料，通过微加工技术使金属钇直接与一维半导体纳米材料的导带形成欧姆接触，由此可得到高性能的电子型场效应晶体管和其他以半导体纳米材料为基的纳电子器件，包括二极管、生物及化学传感器件等。本发明大大降低了n型器件和电路的加工成本，提高了器件的性能，对推动纳电子器件的实用化进程具有非常重要的意义，具有广泛的应用前景。
文档编号H01L21/283GK101692461SQ20091009354
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者丁力, 张志勇, 彭练矛, 梁学磊, 王胜, 陈清 申请人:北京大学