专利名称：Nanotube device的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括纳米管电极的器件，以及涉及制造这种器件的方法。
背景技术：
纳米管器件已知用于各种电应用中。由于他们的操作取决于机械运动，所以纳米 管器件可称为纳米机电(HEMS)结构。期望在可调谐射频(RF)滤波器技术中使用碳纳米管，因为其能够潜在地成为软 件定义的和认知的无线电硬件的主使能器。WO 03/078305描述了可用作滤波器的碳纳米管器件。
发明内容
本发明的第一方面提供一种器件，包括纳米管，被配置为谐振器；源极；栅极；漏 极；和至少一个阻止元件，其中所述至少一个阻止元件被配置为最小化由至少源极和纳米 管之间的接触阻抗产生的能量损耗。因此，所构成的器件可造成Q因子降低的减少。所述阻止元件可以是固体绝缘材料层，并且所述纳米管的第一端部可经由所述固 体绝缘材料层固定至所述源极，所述固体绝缘材料层位于所述纳米管和所述源极之间。可设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏极，使得所述纳米管的第二端 部从所述源极、在所述栅极和所述漏极之上延伸。所述纳米管可与所述源极进行第一电容接触，与所述栅极进行第二电容接触，以 及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触的电容大于所述第二和第三电容 接触的电容。可替换地，所述至少一个阻止元件可包括第一固体绝缘材料层和第二固体绝缘材 料层，以及其中所述纳米管的第一端部可经由所述第一固体绝缘材料层固定至所述源极， 所述第一固体绝缘材料层位于所述纳米管的第一端部和所述源极之间，以及所述纳米管的 第二端部可经由所述第二固体绝缘材料层固定至所述漏极，所述第二固体绝缘材料层位于 所述纳米管的第二端部和所述漏极之间。可设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏极，使得所述纳米管的在所述 第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙，所述纳米管的中部通常 被放置于所述栅极之上。所述纳米管可与所述源极进行第一电容接触，与所述栅极进行第二电容接触，以 及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触和所述第三电容接触的电容大于 所述第二电容接触的电容。可替换地，所述至少一个阻止元件可包括电感元件，所述电感元件与所述源极串联。可设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与所述源极的表面接触，以及所
6述纳米管的第二端部从所述源极、通常在所述栅极和所述电极之上延伸。可替换地，所述至少一个阻止元件可包括第一电感元件以及第二电感元件，其中 所述第一电感元件与所述源极串联，以及所述第二电感元件与所述漏极串联。可设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与所述源极的表面接触，以及所 述纳米管的第二端部与所述漏极的表面接触，以及所述纳米管的在所述第一和第二端部之 间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙，所述纳米管的中部通常被放置于所述栅极 之上。所述源极、所述栅极、和所述漏极可位于衬底的表面上，以及所述栅极通常可位于 所述源极和所述漏极之间。所述器件可具有共振频率，所述共振频率通过向所述栅极施加偏置电压可改变。根据本发明的第二方面，提供一种器件，该器件包括纳米管，被配置为谐振器； 源极；栅极；和漏极；其中所述纳米管的第一端部经由中间的固体绝缘材料层固定至所述 源极。可设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏极，使得所述纳米管的第二端 部从所述源极、通常在所述栅极和所述漏极之上延伸。所述纳米管可与所述源极进行第一电容接触，与所述栅极进行第二电容接触，以 及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触的电容大于所述第二和第三电容 接触的电容。可替换地，所述纳米管的第一端部可经由第一固体绝缘材料层固定合至所述源 极，以及所述纳米管的第二端部可经由中间的第二固体绝缘材料层固定或耦接至所述漏 极。可设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏极，使得所述纳米管的在所述 第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙，所述纳米管的中部通常 被放置于所述栅极之上。所述纳米管可与所述源极进行第一电容接触，与所述栅极进行第二电容接触，以 及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触和所述第三电容接触的电容大于 所述第二电容接触的电容。所述源极、所述栅极、和所述漏极可位于衬底的表面上。所述栅极通常可位于所述源极和所述漏极之间。所述器件可具有共振频率，所述共振频率通过向所述栅极施加偏置电压可改变。根据本发明的第三方面，提供一种器件，该器件包括纳米管，被配置为谐振器； 源极；栅极；和漏极；其中所述源极与电感元件串联。所述纳米管的第一部分可与所述源极的表面接触，以及设置所述源极、所述栅极、 和所述漏极，使得所述纳米管的第二端部从所述源极、通常在所述栅极和所述漏极之上延 伸。可替换地，该器件还可包括与所述漏极串联的电感元件。可设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与所述源极的表面接触，所述纳 米管的第二端部与所述漏极的表面接触，以及所述纳米管的在所述第一和第二端部之间的 中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙。
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该器件还可包括衬底，其中所述源极、所述栅极、和所述漏极位于衬底的表面上。所述栅极通常可位于所述源极和所述漏极之间。所述器件可具有共振频率，所述共振频率通过向所述栅极施加偏置电压可改变。本发明的任意上述方面可结合到可调谐滤波器器件、压控振荡器或移动终端中。根据本发明的第四方面，可提供一种方法，该方法包括提供衬底；在所述衬底上 形成源极、栅极、和漏极；形成与所述源极接触的固体绝缘材料层；以及将纳米管的端部固 定至所述固体绝缘层的与所述源极接触的表面的对面。形成所述电极可包括通常在所述源极和所述漏极之间形成所述栅极。固定纳米管的端部还可包括将所述纳米管的第一端部固定至所述固体绝缘材料 层，所述纳米管的第二端部通常在所述栅极和所述漏极之上延伸。可替换地，该方法还包括形成与所述漏极的表面接触的第二固体绝缘材料层； 以及将所述纳米管的对端部固定至所述第二固体绝缘层的与所述漏极接触的表面的对面。固定纳米管可包括在所述绝缘固体材料层上从籽晶生长所述纳米管。根据本发明的第五方面，提供一种方法，该方法包括提供衬底；在所述衬底上形 成源极、栅极、和漏极；将电感元件连接至所述源极；以及将纳米管的端部固定至所述源极 的表面。形成所述电极可包括通常在所述源极和所述漏极之间形成所述栅极。固定纳米管的端部还可包括将所述纳米管的第一端部固定至所述源极，所述纳 米管的第二端部通常在所述栅极和漏极之上延伸。可替换地，该方法还可包括将第二电感元件连接至所述漏极；将所述纳米管的 对端部固定至所述漏极的表面。固定纳米管包括在所述源极和漏极上从籽晶生长纳米管。根据本发明的第六方面，提供一种操作根据第三方面的器件的方法，该方法包括 在时间周期期满之前向所述栅极和所述漏极之一施加反向电压脉冲，所述时间周期为所述 器件的电荷松弛时间。
图1是单夹纳米管器件的示意性侧视图；图2是双夹纳米管器件的示意性侧视图；图3是图1的器件可近似的电路元件；图4是图2的器件可近似的电路元件；图5是本发明的第一实施例的示意性侧视图；图6a和6b是图5的器件可近似的电路元件；图7是本发明的第二实施例的示意性侧视图；图8a和8b是图7的器件可近似的电路元件；图9是示出生成图5和7的器件的方法的流程图；图10是本发明的第三实施例的示意性侧视图；图11是图10的器件可近似的电路元件；图12是本发明的第四实施例的示意性侧视8
图13是图12的器件可近似的电路元件；图14是示出生成图10和12的器件的方法的流程图；图15是经受静态阻力的本发明的第三实施例的示意性侧视图；图16是经受静态阻力的本发明的第四实施例的示意性侧视图；图17是示出结合图5、7、10或12中任一个的器件的无线电接收器的框图；以及图18是示出结合图5、7、10或12中任一个的器件的备选无线电接收器的框图。
具体实施例方式图1示出可在可调谐RF滤波器技术中使用的类型的单夹纳米管器件的示意性侧 视图。该器件包括衬底10，在其上形成源极11、栅极12和漏极13，栅极12通常形成在源极 和漏极11、13之间。典型地，电极是金属的。源极11相比于栅极和漏极具有较高的外形。 可替换地，衬底10可包括端部，其具有比衬底剩余部分更大的厚度，从而源极11位于该具 有更大的厚度的端部上。碳纳米管14固定在源极11的表面，碳纳米管14与源极11进行 机械和电接触。碳纳米管14与衬底10平行地延伸，并且通常在漏极和栅极电极13、12之 上延伸。碳纳米管14被设置为通常在栅极和漏极12、13之上的支撑悬臂。向栅极12施加 的时变电压引起碳纳米管14以通常与从纳米管14到衬底10的方向平行的方向(如箭头 A所示)振动。图2是双夹纳米管器件的示意性侧视图。该器件包括衬底20，在其上形成源极21 和漏极22，其每个具有相同外形。在衬底上还形成栅极23。栅极23可具有比源极和漏极 21、22相对而言更矮的外形，并且通常可形成在源极和漏极21、22之间。碳纳米管24的第 一端部固定在源极21的最上表面，碳纳米管24与源极21进行机械和电接触。碳纳米管24 的第二端部固定在漏极22的最上表面，碳纳米管24与漏极22进行机械和电接触。源极、 漏极和栅极21、22、23设置在衬底20上，从而碳纳米管24的中部悬在栅极23上方。当向 栅极23施加RF信号时，引起如箭头A所示的、以通常与从纳米管24到栅极23的方向平行 的方向的纳米管24的振动。纳米管24的振动可使用电容转换来检测。可替换地，纳米管 24可用作场效应晶体管的栅极或位移检测的某些其他装置。已知地，图1和2所示的器件的一个问题是在与该纳米管直接接触的金属电极之 间的接触阻抗。在金属和碳纳米管之间的接触阻抗是由表面范德华(van Der Vaals)相 互作用(这在金属的表面和纳米管之间创建有效绝缘层)引起的肖特基势垒(Schottky Barrier)行为的结果。在单壁碳纳米管和金属之间的理论最小接触阻抗为h/4e2，这约等 于6. 5kU。如果用多壁纳米管代替单壁纳米管，则这可能减小，从而理论最小值为6. 5kK2/ N，其中N是与金属电极接触的多壁纳米管的壳层数。目前，在纳米管和金属之间的最佳的 报告的接触具有在5至IOkQ的范围内的阻抗(见Applied Physics Letters 88 053118)。可使得图1的器件近似于如图3所示的电路元件。该电路元件包括与电阻元件31 连接的源极11，电阻元件31因源极11和纳米管14之间的接触阻抗而产生。与电阻元件 31连接的是纳米管14。与纳米管14并联的是第一电容元件32，第一电容元件32因纳米管 14和栅极12之间的电容接触而产生。与纳米管14串联的是第二电容元件33，第二电容元 件33因纳米管14和漏极13之间的电容接触而产生。作为电容接触的结果而出现电容元件32、33，这是由于在纳米管14以及栅极和漏
9极12、13之间存在绝缘层。该绝缘层由纳米管14以及栅极和漏极12、13的分离引起。类似地，可使得图2的器件近似于如图4所示的电路元件。该电路元件包括串联 的源极21、第一接触阻抗41 (因纳米管24和源极21之间的接触而产生)、纳米管24、第二 接触阻抗42 (因纳米管24和漏极22之间的接触而产生)、和漏极22。该电路元件还包括 电容元件43，其并联至纳米管24，其由纳米管24和栅极23之间的电容接触而产生。对于电子应用，接触阻抗31、41、42是严重的缺陷，因为他们导致损耗。对于谐振 器结构，如此结构，在该管以RF频率执行机械振动的情况下，这种损耗自身不仅表现为热 能，而且表现为机械阻尼，从而大大降低谐振器的Q因子。在纳米管14、24振动时，为了保持电荷平衡，伴随的交流电流流过接触阻抗31 (或 阻抗41、42)。典型地，这种器件的电子松弛时间(electronic relaxation times)(还已知 为RC时间)远小于特征振动周期。因此，在机械运动的时标上，电子松弛可看作为瞬时的。 流过接触阻抗21(或阻抗41、42)的交流电流引起的耗散作为纳米管14、24运动的阻尼力， 并降低谐振器Q因子。迄今为止，主要致力于最小化电极和纳米管之间的接触阻抗。然而，如先前讨论 地，仍旧存在理论最小接触阻抗，这已经被实现，接触阻抗不能够被减少而超出该理论最小 接触阻抗。图5是根据本发明第一实施例的单夹纳米管器件的示意性侧视图。器件5包括 衬底50，在其上形成源极51、栅极52和漏极53，栅极电极52通常形成在源极和漏极电极 51、53之间。衬底可包括任意非导电材料(例如高电阻硅)，在其上可形成电极。典型地， 电极为金属的，通常为铝、金和铜中之一。栅极和漏极的高度可以是IOnm的量级，宽度约 为50-100nm。源极51可具有相比于栅极和漏极52、53相对较高的外形。可替换地，衬底 50可包括端部，其具有比衬底剩余部分更大的厚度，由此源极51位于具有更大厚度的该端 部上。绝缘材料层55耦接至源极的表面。典型地，层55可以是固体绝缘材料(例如玻璃 (Si02))的薄层。碳纳米管54的端部耦接至绝缘材料层55的与源极51耦接的表面的对 面。碳纳米管54与衬底50平行地延伸，并且通常在漏极和栅极53之上方延伸。碳纳米管 54可以在栅极和漏极52之上约lOnm。碳纳米管54被设置为通常在栅极和漏极电极52、53 之上的支撑悬臂。典型的碳纳米管长度在0.1 μ m-1 μ m的范围内。典型地，碳纳米管是多 壁纳米管；然而，也可使用单壁纳米管和连接的纳米管集群。向栅极52施加的时变电压引 起碳纳米管54以通常与从纳米管到衬底的方向平行的方向(如箭头A所示)的振动。根据这个实施例，通常存在于金属和纳米管之间的接触阻抗被绝缘材料层55取 代，从而在源极51和纳米管54之间形成电容接触。图5的器件5可近似于如图6a所示的电路元件。该电路元件包括与第一电容元 件61连接的源极51，第一电容元件61因源极51和纳米管54之间的电容接触而产生。与 第一电容元件61串联的是纳米管54。与纳米管54并联的是第二电容元件62，第二电容元 件62因纳米管54和栅极52之间的电容接触而产生。与纳米管54串联的是第三电容元件 63，第三电容元件63因纳米管54和漏极53之间的电容接触而产生。第一电容元件61作为在源极51和纳米管54之间、经由绝缘材料的薄层55的电 容接触的结果而形成。由于在纳米管54以及栅极和漏极52、53之间存在绝缘层，作为电容 接触的结果而出现电容元件62、63。该绝缘层由纳米管54以及栅极和漏极52、53的分离引
10起。根据本发明的第一实施例，因为在源极51和纳米管54之间的绝缘材料层55防止 耗散的电流流出，所以消除作为耗散损耗的结果引起的Q因子渐变的问题。理想地，由在源极51和纳米管54之间、经由绝缘材料层55的电容接触产生的第 一电容元件61的电容应远大于第二和第三电容元件62、63的电容。因为电容元件的电容 如下，所以这可相对容易地实现C κ 1/d其中d是电极51、52、53和纳米管54之间的距离。因此，在器件的特征需要纳米 管54相比栅极或漏极52、53明显更接近源极51时，第一电容元件61的电容自然地明显大 于第二和第三电容元件62、63的电容。绝缘材料层可尽可能薄，以最大化电容，但是要足够 厚以便防止源极51和纳米管54之间的电击穿和隧道电流。典型地，绝缘材料层的厚度在 5nm的区域内。如果第一电容元件61的电容明显大于第二和第三电容元件62、63的电容，如已经 讨论地其通常是这种情况，则第一电容元件61用作源极51到纳米管54的交流电流的有效 短路。因此，在这种情形下，图5的器件可进一步近似于如图6b所示的电路图。该电路包 括直接连接至纳米管54的源极51。与纳米管54并联的是第二电容元件62，第二电容元件 因纳米管54和栅极52之间的电容接触而产生。与纳米管54串联的第三电容元件63，第三 电容元件63因纳米管54和漏极53之间的电容接触而产生。图7示出根据本发明第二实施例的双夹纳米管器件。器件7包括衬底70，在其上 形成源极71和漏极72，其每个具有相同外形。在衬底上还形成栅极73。栅极73可具有比 源极和漏极71、72相对而言更矮的外形，并且通常可形成在源极和漏极71、72之间。栅极 的高度可以是IOnm的量级，宽度约为50-100nm。第一绝缘材料层75耦接至源极71的表 面，第二绝缘材料层76耦接至漏极72的表面。典型地，第一和第二绝缘材料层75、76可以 是固体绝缘材料(例如玻璃(Si02))的薄层。碳纳米管74的第一端部耦接至第一绝缘材 料层75的与源极71耦接的表面的对面。碳纳米管74的第二端部耦接至第二绝缘材料层 76的与漏极72耦接的表面的对面。源极、漏极和栅极71、72、73设置在衬底70上，从而碳 纳米管74的中部一般悬在栅极73之上。当向栅极73施加RF信号时，引起纳米管以通常 与从纳米管74到栅极73的方向平行的方向(如箭头A所示)的振动。图7的器件7可近似于如图8a所示的电路元件。该电路元件包括串联的源极71、 第一电容元件81 (第一电容元件81因源极71和纳米管74之间的电容接触而产生)、纳米 管74、第二电容元件82 (第二电容元件82因漏极72和纳米管74之间的电容接触而产生)、 和最后的漏极72。与纳米管74并联的是第三电容元件83，第三电容元件83因栅极73和 纳米管74之间的电容接触而产生。如同根据本发明第一实施例的单夹纳米管器件5，如果第一、第二和第三电容元件 81、82、83的相对电容正确，图7的双夹纳米管器件7可进一步根据图8a的电路元件来近 似。在这种情况下，如果第一和第二电容元件81、82的电容明显大于第三电容元件83的电 容，则第一和第二电容元件81、82用作交流电流的有效短路。图7的器件7的这种进一步 近似可在图8b中看出。图8b中所示的电路元件包括串联的源极71、纳米管74和漏极72。与纳米管74并
11联的是第三电容元件83，第三电容元件83因纳米管74和栅极73之间的电容接触而产生。如同第一实施例，通过有效消除金属电极和纳米管之间的接触阻抗，大大降低通 过耗散引起的能量损耗。由此，金属阻尼更低，并且器件的Q因子很高。第一和第二实施例不仅提供了有效消除与金属电极和纳米管之间的接触阻抗关 联的问题的优点，而且还潜在地在器件的制造期间支持更高的精度。这是因为金属和纳米 管之间的接触阻抗典型地为硬参数，以在这个器件的制造期间进行控制。另一方面，通过纯 电容接触，确定电容的主要参数为绝缘层的厚度和长度，这通常更容易控制。现在将参照图9描述制造图5的器件5的方法。第一步骤(步骤Si)为提供衬底50。在步骤S2，在衬底50上形成金属化区域51、 52、53。这可通过任意适合的方式执行。这个步骤在衬底50上提供源极、栅极、和漏极51、 52、53。栅极52位于源极和漏极51、53之间。源极51从衬底50的表面的高度可大于栅极 和漏极52、53的高度。可替换地，该衬底可包括衬底的端部，其具有比衬底的剩余部分更大 的厚度，从而源极位于具有更大厚度的端部上。在步骤S3，与源极51的表面接触地形成绝 缘材料层55。该绝缘层的长度和厚度可依据所需的电容来预定。在步骤S4，碳纳米管54固 定至绝缘材料层55的与源极51接触的表面的对面。固定碳纳米管54，使得其长度通常在 栅极和漏极52、53之上延伸。典型地，纳米管在别处生长，并且在液体上浮在期望的固定地 点上方，以及使用电场排列。当他们被正确定位时，蒸发掉液体。可替换地，纳米管可在原 位生长。根据一个生长工艺，在绝缘材料层55的表面上的相关位置处设置纳米管的籽晶。 籽晶是催化剂粒子。良好的催化剂粒子为铁(Fe)粒子，但是其他籽晶也可适用。然后，使 用化学气相沉积(CVD)从籽晶形成碳纳米管54。现在将同样参照图9描述制造图7的器件7的方法。第一步骤(步骤Si)为提供衬底70。在步骤S2，在衬底70上形成金属化区域71、 72、73。这可通过任意适合的方式执行。这个步骤在衬底70上设置源极、栅极、和漏极71、 72、73。源极71和漏极72具有相同外形，他们的外形比栅极73相对较高。栅极73通常可 形成在源极和漏极71、72之间。在步骤S3，与源极71的表面接触地形成第一绝缘材料层 75，与漏极72的表面接触地形成第二绝缘材料层76。绝缘层的长度和厚度可依据所需的电 容来预定。在步骤S4,碳纳米管74的第一端部固定至第一绝缘材料层75的与源极71接触 的表面的对面，以及碳纳米管74的第二端部固定至第二绝缘材料层76的与漏极72接触的 表面的对面。设置碳纳米管74，使得第一和第二端部之间的中部提升在栅极73上方，因此 桥接源极和漏极71、72的衬底70上的位置之间的间隙。纳米管可在别处生长，并使用上述 技术定位和固定。或者，他们可在原位生长。图10是根据本发明第三实施例的纳米管器件的示意性侧视图。该器件包括衬底 100，在其上形成源极101、栅极102和漏极103，栅极102通常形成在源极和漏极电极101、 103之间。典型地，电极是金属的。源极101具有相比于栅极和漏极102、103相对较高的外 形。可替换地，衬底100可包括端部，其具有比衬底剩余部分更大的厚度，从而源极101位 于具有更大的厚度的端部上。碳纳米管104固定至源极101的表面，碳纳米管104与源极 101进行机械和电接触。碳纳米管104与衬底100平行地延伸，并且通常在漏极和栅极103、 102之上延伸。碳纳米管104被设置为通常在栅极和漏极102、103之上的支撑悬臂。向栅 极102施加的时变电压引起碳纳米管104以通常与从该纳米管到衬底100的方向平行的方
12向(如箭头A所示)的振动。串联至源极电极101的是电感元件105。图10的器件可近似于如图11所示的电路元件。该电路元件包括串联的电感元件 105、源极101、电阻元件111 (电阻元件由源极101和纳米管104之间的接触阻抗而产生)、 和纳米管104。与纳米管104并联的是第一电容元件112，第一电容元件112因纳米管104 和栅极102之间的电容接触而产生。与纳米管104串联的是第二电容元件113，第二电容元 件113因纳米管104和漏极103之间的电容接触而产生。当纳米管振动时，通常在电阻接触111中流动并因此散热的交流电流通过电感元 件105来对抗。这是因为电感元件105的时间常数远大于交流信号的时间周期。因此，结 果是最小的交流电流流过电阻接触111，从而由于在源极101和纳米管104之间存在电阻接 触111，减少了能量耗散和Q因子降低。图12示出根据本发明第四实施例的纳米管器件。器件127包括衬底120，在其上 形成源极121和漏极122，其每个具有相同外形。在衬底120上还形成栅极123。栅极123 可具有相比源极和漏极121、122相对更矮的外形，并且通常可形成在源极和漏极121、122 之间。耦接至源极121的最上表面的是碳纳米管124的第一端部。耦接至漏极122的最上 表面的是碳纳米管124的第二端部。源极和漏极121、122设置在衬底120上，从而碳纳米 管124的中部悬在栅极123之上。与源极串联的是第一电感元件125，与漏极122串联的是 第二电感元件126。可使用电容转换来检测纳米管124以通常与从纳米管124到栅极123 的方向平行的方向(如箭头A所示)的振动。可替换地，纳米管124可用作场效应晶体管 的栅极或位移检测的某些其他装置。根据第四实施例的器件可适用于当通过纳米管器件需要直流电组件时。图12的器件可近似于如图13所示的电路元件。图13的电路元件包括串联的电 感元件125、源极121、第一电阻元件131 (因纳米管124和源极121之间的接触阻抗而产 生)、纳米管124、第二电阻元件132 (因纳米管124和漏极122之间的接触阻抗而产生)、漏 极122、和第二电感元件126。该电路元件还包括并联至纳米管124的电容元件133和栅极 123，电容元件113作为纳米管124和栅极123之间的电容接触的结果而产生。如同本发明的第三实施例，当纳米管振动时，通常在电阻接触131、132中流动的 交流电流通过相应的电感元件125、126来对抗。同样，这是因为电感元件125、126的时间 常数远大于该交流信号的时间周期。因此，结果是流过电阻接触131、132的净交流电流大 大减少，从而由于在电极和纳米管之间存在电阻接触，同样大大减少了能量耗散和Q因子 降低。应理解，对于本发明的第三和第四实施例来说，参照本发明的第一和第二实施例 指定的许多相关尺度和材料也相关。现在将参照图12描述制造图10的器件107的方法。第一步骤(步骤Pl)为提供衬底100。在步骤P2，在衬底100上形成金属化区域 101、102、103。这可通过任意适合的方式执行。这个步骤在衬底100上提供源极、栅极、和 漏极101、102、103。栅极102位于源极和漏极101、103之间。源极101从衬底100的表面 的高度可大于栅极和漏极102、103的高度。可替换地，衬底可包括衬底的端部，其具有比衬 底的剩余部分更大的厚度，从而该源极位于具有更大的厚度的端部上。在步骤P3，第一电感 元件105耦接至源极101。第一电感元件105可串联耦接至源极101。在步骤P4，固定碳纳
13米管104，使得碳纳米管104的端部与源极101的表面进行机械和电接触。固定碳纳米管 104，使得其长度通常在栅极和漏极102、103之上延伸。碳纳米管可在别处生长，并且使用 先前所述的技术定位和固定。可替换地，纳米管可在原位生长。现在将同样参照图14描述制造图12的器件127的方法。第一步骤(步骤Pl)为提供衬底120。在步骤P2，在衬底120上形成金属化区域 121、122、123。这可通过任意适合的方式执行。这个步骤在衬底120上提供源极、栅极、和 漏极121、122、123。在步骤P3，第一电感元件125耦接至源极121，第二电感元件126耦接 至漏极122。第一和第二电感元件125、126可串联耦接至源极和漏极121、122。在步骤P4， 固定碳纳米管124，使得碳纳米管124的第一端部与源极121的表面进行机械和电接触，以 及使得碳纳米管124的相对的第二端部与漏极122的表面进行机械和电接触。设置碳纳米 管124，使得在第一和第二端部之间的中部提升在栅极123之上，从而桥接源极和漏极121、 122的衬底120上的位置之间的间隙。纳米管可在别处生长，并使用上述技术定位和固定。 可替换地，他们可在原位生长。根据本发明的第三和第四实施例，还可实现抵消静态阻力的优点。当纳米管的振 动使其进入电极的一定距离(所述一定距离为纳米管和电极之间的表面力超过其他力的 距离)内时，出现静态阻力。这可能导致纳米管永久粘住电极。示出图10和12的器件107、 127，他们分别经受图15和16所示的静态阻力。在图15中，纳米管104粘在漏极103，而在 图16中，纳米管124粘在栅极123。通过在源极和纳米管之间的纯电阻接触(即，无需串联 耦接的电感元件)，电子子系统的电荷松弛时间典型地远短于机械运动的时标。这意味着， 即使在接触的电极(纳米管所粘住的电极)上放置较大正偏压，纳米管和接触的电极之间 的力仍保持吸引。然而，如图10和12所示(和图15和16)，通过与源极101、121串联耦接 电感元件105、125，电荷松弛时间可增加若干量级。这使得在纳米管上的正电荷留下，即使 提升向接触的电极施加的电压。因此，如果在比电子子系统的松弛时间更短的时间内向接 触的电极施加反向电压脉冲，可得到在接触的电极和纳米管之间作用的斥力，并且可实现 纳米管从接触的电极解脱出来。应注意，参照图16，如果仅第一电感元件125和第二电感元 件126之一包括在图11或13的器件中，其他被忽略，则也可实现抵消静态阻力的优点。如同许多机电系统，根据本发明任一个实施例(如图5、7、10和12所示)的器件 具有共振频率。共振频率根据纳米管的长度和硬度来改变。多壁纳米管或纳米管集群通常 比单壁纳米管更硬，因此可能比具有相同共振频率的单一纳米管更长。通常，可获得的共振 频率在1至5GHz的范围内。共振频率使用向栅极施加的电压偏置可调。这样，该器件可用 作可调谐滤波器，其中如果通过含有若干频率分量的RF信号调制栅极电压，则抑制具有超 过共振频率的频率分量。因此，仅匹配于共振频率的信号的那些分量通过。如图17所示，作为无线电接收器(在这个实例中，无线电收发器172)的RF前端 的滤波器171的一部分来包括谐振器170(可包括器件5、7、107、127、和可控电压偏置电路 (未示出)中的任一个)。结合器件5、7、107、127中的任一个的滤波器也可用在RF发射器的前端中，S卩，在 功率放大器和天线之间。通过在谐振器170中使用根据本发明任意实施例的任意器件，谐振器170可以是 很高质量的，或高Q的谐振器。这些性能由图5、7、10和12所示的器件5、7、107、127的物理布局导出。谐振器170适用于在软件定义的和认知的无线电硬件中形成主要组件。图5、7、10和12的器件5、7、107、127具有多个其他可能的应用。例如，所述器件也可用作压控振荡器(VCO)ISl中的谐振器180。这在图18中示 出。这种VCO是构成无线电合成器的所必需的部分。本发明的谐振器器件的潜在广泛调谐 范围和高质量因子支持仅通过单核VCO以若干RF频带运行的低相噪声合成器。根据以上说明可理解，VCO可通过改变向栅极施加的偏置电压来调谐。如图18所示，作为无线电接收器(在这个实例中，无线电收发器182)的VCO 181 的一部分来包括谐振器180(包括器件5、7、107、127、和可控电压偏置电路(未示出)中的 任一个)。
1权利要求
一种器件，包括纳米管，被配置为谐振器；源极；栅极；漏极；以及至少一个阻止元件，其中所述至少一个阻止元件被配置为最小化因至少所述源极和所述纳米管之间的接触阻抗产生的能量损耗。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述阻止元件包括固体绝缘材料层，并且所述纳米 管的第一端部经由所述固体绝缘材料层耦接至所述源极，所述固体绝缘材料层位于所述纳 米管和所述源极之间。
3.如权利要求1或2所述的器件，其中设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏 极，使得所述纳米管的第二端部从所述源极、在所述栅极和所述漏极之上延伸。
4.如任意先前权利要求所述的器件，其中所述纳米管与所述源极进行第一电容接触， 与所述栅极进行第二电容接触，以及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接 触的电容大于所述第二和第三电容接触的电容。
5.如权利要求1所述的器件，其中所述至少一个阻止元件包括第一固体绝缘材料层和 第二固体绝缘材料层，以及其中所述纳米管的第一端部经由所述第一固体绝缘材料层耦接 至所述源极，所述第一固体绝缘材料层位于所述纳米管的第一端部和所述源极之间，以及 所述纳米管的第二端部经由所述第二固体绝缘材料层耦接至所述漏极，所述第二固体绝缘 材料层位于所述纳米管的第二端部和所述漏极之间。
6.如权利要求5所述的器件，其中设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏极， 使得所述纳米管的在所述第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间 隙，所述纳米管的中部通常被放置于所述栅极之上。
7.如权利要求5或6所述的器件，其中所述纳米管与所述源极进行第一电容接触，与所 述栅极进行第二电容接触，以及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触和 所述第三电容接触的电容大于所述第二电容接触的电容。
8.如权利要求1所述的器件，其中所述至少一个阻止元件包括电感元件，所述电感元 件与所述源极串联。
9.如权利要求8所述的器件，其中设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与所 述源极的表面接触，以及所述纳米管的第二端部从所述源极、通常在所述栅极和所述漏极 之上延伸。
10.如权利要求1所述的器件，其中所述至少一个阻止元件包括第一电感元件；以及第二电感元件；其中所述第一电感元件与所述源极串联，以及所述第二电感元件与所 述漏极串联。
11.如权利要求10所述的器件，其中设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与 所述源极的表面接触，以及所述纳米管的第二端部与所述漏极的表面接触，以及所述纳米 管的、在所述第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙，所述纳米 管的中部通常被放置于所述栅极之上。2
12.如任意先前权利要求所述的器件，其中所述源极、所述栅极、和所述漏极位于衬底 的表面上。
13.如任意先前权利要求所述的器件，其中所述栅极通常位于所述源极和所述漏极之间。
14.如任意先前权利要求所述的器件，其中所述器件具有共振频率，所述共振频率通过 向所述栅极施加偏置电压可改变。
15.一种器件，包括纳米管，被配置为谐振器的至少一部分；源极；栅极；和漏极；其 中所述纳米管的第一端部经由中间的固体绝缘材料层耦接至所述源极。
16.如权利要求15所述的器件，其中设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏 极，使得所述纳米管的第二端部从所述源极、通常在所述栅极和所述漏极之上延伸。
17.如权利要求15所述的器件，其中所述纳米管的第一端部经由第一固体绝缘材料层 耦接至所述源极，以及所述纳米管的第二端部经由中间的第二固体绝缘材料层耦接至所述 漏极。
18.如权利要求17所述的器件，其中设置所述纳米管、所述源极、所述栅极、和所述漏 极，使得所述纳米管的在所述第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的 间隙，所述纳米管的中部通常被放置于所述栅极之上。
19.如权利要求16所述的器件，其中所述纳米管与所述源极进行第一电容接触，与所 述栅极进行第二电容接触，以及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触的 电容大于所述第二和第三电容接触的电容。
20.如权利要求17所述的器件，其中所述纳米管与所述源极进行第一电容接触，与所 述栅极进行第二电容接触，以及与所述漏极进行第三电容接触，其中所述第一电容接触和 所述第三电容接触的电容大于所述第二电容接触的电容。
21.如权利要求15至20中任一项所述的器件，其中所述源极、所述栅极、和所述漏极位 于衬底的表面上。
22.如权利要求15至21中任一项所述的器件，其中所述栅极通常位于所述源极电极和 所述漏极电极之间。
23.如权利要求15至22中任一项所述的器件，其中所述器件具有共振频率，所述共振 频率通过向所述栅极施加偏置电压可改变。
24.一种器件，包括纳米管，被配置为谐振器的至少一部分；源极；栅极；和漏极，其中 所述源极与电感元件串联。
25.如权利要求24所述的器件，其中所述纳米管的第一部分与所述源极的表面接触， 以及设置所述源极、所述栅极、和所述漏极，使得所述纳米管的第二端部从所述源极电极、 通常在所述栅极和所述漏极之上延伸。
26.如权利要求24所述的器件，还包括与所述漏极串联的电感元件。
27.如权利要求26所述的器件，其中设置所述纳米管，使得所述纳米管的第一端部与 所述源极的表面接触，所述纳米管的第二端部与所述漏极的表面接触，以及所述纳米管的 在所述第一和第二端部之间的中部桥接所述源极和所述漏极之间的间隙。
28.如权利要求24至27中任一项所述的器件，还包括衬底，其中所述源极、所述栅极、 和所述漏极位于衬底的表面上。
29.如权利要求24至28中任一项所述的器件，其中所述栅极通常位于所述源极和所述 漏极之间。
30.如权利要求24至29中任一项所述的器件，其中所述器件具有共振频率，所述共振 频率通过向所述栅极施加偏置电压可改变。
31.一种可调谐滤波器，包括如权利要求1至14中任一项所述的器件。
32.—种可调谐滤波器，包括如权利要求15至23中任一项所述的器件。
33.一种可调谐滤波器，包括如权利要求24至30中任一项所述的器件。
34.一种压控振荡器，包括如权利要求1至14中任一项所述的器件。
35.一种压控振荡器，包括如权利要求15至23中任一项所述的器件。
36.一种压控振荡器，包括如权利要求24至30中任一项所述的器件。
37.一种移动终端，包括如权利要求1至14中任一项所述的器件。
38.一种移动终端，包括如权利要求15至23中任一项所述的器件。
39.一种移动终端，包括如权利要求24至30中任一项所述的器件。
40.一种方法，包括 提供衬底；在所述衬底上形成源极、栅极、和漏极；形成与所述源极的表面接触的固体绝缘材料层；以及将纳米管的端部固定至所述固体绝缘层的与所述源极接触的表面的对面。
41.如权利要求40所述的方法，其中形成所述电极包括通常在所述源极和所述漏极 之间形成所述栅极。
42.如权利要求40所述的方法，其中固定纳米管的端部还包括将所述纳米管的第一 端部耦接至所述固体绝缘材料层，所述纳米管的第二端部通常在所述栅极和所述漏极之上 延伸。
43.如权利要求40至42中任一项所述的方法，还包括 形成与所述漏极的表面接触的第二固体绝缘材料层；以及将所述纳米管的对端部固定至所述第二固体绝缘层的与所述漏极接触的表面的对面。
44.如权利要求40、42或43所述的方法，其中耦接纳米管包括在所述绝缘固体材料层 上从籽晶生长纳米管。
45.一种方法，包括 提供衬底；在所述衬底上形成源极、栅极、和漏极； 将电感元件连接至所述源极；以及 将纳米管的端部耦接至所述源极的表面。
46.如权利要求45所述的方法，其中形成所述电极包括通常在所述源极和所述漏极 之间形成所述栅极。
47.如权利要求45所述的方法，其中固定纳米管的端部还包括将所述纳米管的第一 端部耦接至所述源极，所述纳米管的第二端部通常在所述栅极和漏极之上延伸。
48.如权利要求45至47中任一项所述的方法，还包括 将第二电感元件连接至所述漏极；将所述纳米管的对端部耦接至所述漏极的表面。
49.如权利要求45、47或48所述的方法，其中固定纳米管包括在所述源极和漏极上从 籽晶生长纳米管。
50.一种操作如权利要求24至30中任一项所述的器件的方法，包括在时间周期期满之前向所述栅极和所述漏极电极之一施加反向电压脉冲，所述时间周 期为所述器件的电荷松弛时间。
全文摘要
文档编号H01L29/06GK101952987SQ200980105929
公开日2011年1月19日 申请日期2009年1月20日 优先权日2008年2月22日
发明者Kaunisto Risto, Isacsson Andreas, Kinaret Jari, Campbell Eleanor, Lee Sang-Wook, Eriksson Anders 申请人:Nokia Corp