包括納米結(jié)構(gòu)的器件及其制造方法
【專利摘要】一種制造器件(300，410-412)的方法，所述器件包括第一襯底(201)，所述第一襯底包括布置在所述第一襯底上的多組納米結(jié)構(gòu)(207)，其中每一組納米結(jié)構(gòu)是單獨(dú)電學(xué)可尋址的，所述方法包括步驟：提供(101)具有第一面(202)的襯底(200)，所述襯底具有絕緣層(210)，所述絕緣層包括布置在所述襯底的所述第一面(202)上的絕緣材料，形成在所述絕緣層和所述襯底之間的界面；在所述第一襯底上提供(102)多個(gè)疊層(204)，所述疊層彼此間隔開(kāi)，其中每一個(gè)疊層包括第一導(dǎo)電層(205)和第二導(dǎo)電層(206)，所述第一導(dǎo)電層包括第一導(dǎo)電材料，所述第二導(dǎo)電層包括與所述第一材料不同的第二導(dǎo)電材料，所述第二導(dǎo)電層布置在所述第一導(dǎo)電層上、用于催化納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；在還原氣氛中加熱(103)所述第一襯底，所述第一襯底具有在其上布置的所述多個(gè)疊層，以使能所述第二導(dǎo)電材料上的納米結(jié)構(gòu)的形成；在氣氛氛圍下加熱(103)所述第一襯底，所述第一襯底具有在其上布置的所述多個(gè)疊層，使得在所述第二層(206)上形成納米結(jié)構(gòu)(207)；其中選擇所述絕緣材料和所述第一導(dǎo)電材料，使得在所述加熱步驟期間，所述第一導(dǎo)電材料與所述絕緣材料相互作用以在每一個(gè)疊層(204)下面的所述絕緣層(201)內(nèi)形成導(dǎo)電部分(208)，其中所述導(dǎo)電部分包括所述第一導(dǎo)電材料和所述絕緣材料和/或其反應(yīng)加合物的混合物。
【專利說(shuō)明】包括納米結(jié)構(gòu)的器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括單獨(dú)可尋址納米結(jié)構(gòu)束的電子器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(CNT)由碳原子的石墨烯片組成，所述碳原子的石墨烯片卷起成為柱體，所述柱體具有納米范圍的直徑和納米到厘米范圍的長(zhǎng)度。CNT可以是所謂的單壁納米管(SWNT)，所述單壁納米管具有單一石墨烯片的均勻柱體的結(jié)構(gòu)。備選地，CNT可以是所謂的多壁納米管(MWNT)，所述多壁納米管由具有不同直徑并且因此布置在彼此內(nèi)部的多個(gè)SWNT組成，或者由圍繞自身卷起多次從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)層的單一石墨烯片組成。
[0003]已知多種生產(chǎn)CNT的方法，包括例如電弧放電、激光消融和化學(xué)氣相沉積(CVD)，其中CVD最常用于CNT的商業(yè)生產(chǎn)，典型地包括:準(zhǔn)備具有金屬催化劑(例如，鐵、鈷或鎳)的襯底，隨后在包括諸如氨氣、氮?dú)饣驓錃庵惖墓に嚉怏w和包括碳源(例如乙炔、乙烯或乙醇)的氣體的氣氛下加熱襯底。這樣，在金屬催化劑的表面生長(zhǎng)了 CNT?？梢酝ㄟ^(guò)改變反應(yīng)條件來(lái)控制金屬催化劑上CNT的朝向，使得產(chǎn)生垂直對(duì)齊的CNT，即CNT垂直于金屬催化劑的表面而延伸。
[0004]假定CNT具有高的機(jī)械強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，已經(jīng)提議了 CNT的許多潛在應(yīng)用，包括例如傳感器、氫存儲(chǔ)介質(zhì)、探針、半導(dǎo)體器件、場(chǎng)發(fā)射器件以及導(dǎo)電高強(qiáng)度合成物
坐寸。
[0005]與CNT的這種傳統(tǒng)制造方法相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題是難以對(duì)以下兩者進(jìn)行控制:在襯底上的特定位置處以預(yù)定朝向和配置的CNT生長(zhǎng)，以及與諸如金屬電極之類的其他材料的分界面。
[0006]US6, 900，580B2公開(kāi)了一種場(chǎng)發(fā)射器件和這種器件的制造方法，其中所述器件具有在襯底上平行對(duì)齊的CNT束，所述束只從利用催化劑材料構(gòu)圖的襯底區(qū)域延伸，從而提供了對(duì)于襯底表面上所述束的尺寸、形狀和分布的精確控制，并且可以通過(guò)將構(gòu)圖的金屬化線與所述束相連來(lái)單獨(dú)地控制每一個(gè)束。
[0007]然而，根據(jù)US6，900，580B2的制造CNT的方法冗長(zhǎng)并且可能不是非常節(jié)省成本。
[0008]因此，技術(shù)中需要促進(jìn)CNT的制造以用在電子器件中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述和其他缺點(diǎn)，本發(fā)明的一般目的是為了提供一種制造包括納米結(jié)構(gòu)的器件的改進(jìn)方法，具體地所述器件具有單獨(dú)電學(xué)可尋址的納米結(jié)構(gòu)組。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，提出了一種制造器件的方法，所述器件包括第一襯底，所述第一襯底包括布置在所述第一襯底上的多組納米結(jié)構(gòu)，其中每一組納米結(jié)構(gòu)是單獨(dú)電學(xué)可尋址的，所述方法包括步驟:提供具有第一面的襯底，所述襯底具有絕緣層，所述絕緣層包括布置在襯底的第一面上的絕緣材料，從而在絕緣層和襯底之間形成界面；在第一襯底上提供多個(gè)疊層，所述疊層彼此間隔開(kāi)，其中每一個(gè)疊層包括第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層，第一導(dǎo)電層包括第一導(dǎo)電材料，第二導(dǎo)電層包括與第一材料不同的第二導(dǎo)電材料，第二導(dǎo)電層布置在第一導(dǎo)電層上以催化納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；在還原氣氛中加熱上面布置有多個(gè)疊層的第一襯底，以使能第二導(dǎo)電材料上納米結(jié)構(gòu)的形成；在氣氛中加熱上面布置有多個(gè)疊層的第一襯底，使得在第二層上形成納米結(jié)構(gòu)；其中絕緣材料和第一導(dǎo)電材料被選擇為使得在加熱步驟期間，第一導(dǎo)電材料與絕緣材料起反應(yīng)，以在每一個(gè)疊層下面的絕緣層內(nèi)形成導(dǎo)電部分，其中導(dǎo)電部分包括第一導(dǎo)電材料與絕緣材料的混合物和/或其反應(yīng)加合物。
[0011]本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí):通過(guò)在絕緣層上提供至少第一層和第二層的疊層，可以在絕緣層內(nèi)形成將每單獨(dú)一組納米結(jié)構(gòu)電連接的導(dǎo)電部分，同時(shí)在相同的加熱周期期間在具有絕緣層的襯底上生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)組，其中絕緣層包括絕緣材料，第一層和第二層分別包括第一材料和第二材料，第二層布置在第一層上，第一層布置在絕緣層上。第二材料被選擇為在升高的溫度下催化納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)，而第一材料和絕緣材料被選擇為使得第一材料是導(dǎo)電的并且在加熱時(shí)與絕緣材料混合、擴(kuò)散和/或反應(yīng)從而產(chǎn)生導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電混合物。這樣，通過(guò)加熱上面布置有這種疊層的襯底，可以產(chǎn)生多組納米結(jié)構(gòu)，其中納米結(jié)構(gòu)組下面的絕緣層的部分包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料。因此，每一組納米結(jié)構(gòu)可以是單獨(dú)電學(xué)可連接的。
[0012]在本發(fā)明的場(chǎng)景中，術(shù)語(yǔ)“納米結(jié)構(gòu)”應(yīng)該理解為具有納米范圍的直徑或?qū)挾鹊娜我饨Y(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)的示例包括但不限于碳納米管、各種材料(例如ZnO)的納米線和納米棒以及碳納米纖維。
[0013]在本發(fā)明的場(chǎng)景中，術(shù)語(yǔ)“納米結(jié)構(gòu)組”應(yīng)該理解為在襯底的一部分上彼此鄰近(例如，從微米到亞微米)布置的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，該部分與包括納米結(jié)構(gòu)的襯底的其他部分分離，并且包括納米結(jié)構(gòu)組下面的導(dǎo)電部分。納米結(jié)構(gòu)組可以包括布置成束的納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)組可以與長(zhǎng)度和寬度在納米到微米范圍內(nèi)的襯底的部分相對(duì)應(yīng)。另外，當(dāng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)組單獨(dú)尋址時(shí)，通常對(duì)組中包含的所有納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行尋址。
[0014]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一材料可以是導(dǎo)電或半導(dǎo)電的。因此，可以通過(guò)將第一材料擴(kuò)散到第一襯底中來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電或半導(dǎo)電的導(dǎo)電部分。
[0015]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一層的第一材料和絕緣層的絕緣材料可以被選擇為使得可以通過(guò)它們之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料。
[0016]加熱在其絕緣層上布置有疊層的襯底可以使第一疊層的第一材料擴(kuò)散或者與第一襯底的絕緣材料的下面部分混合，從而可以依賴于第一材料的電學(xué)特性使這些部分導(dǎo)電或者半導(dǎo)電。附加地或者備選地，加熱在其絕緣層上布置有第一材料的襯底可以引起第一材料與第一襯底的絕緣材料的下面部分反應(yīng)，從而得到可以是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的反應(yīng)產(chǎn)物，在這種情況下第一材料不必須是導(dǎo)電或者半導(dǎo)電的以實(shí)現(xiàn)所述導(dǎo)電或者半導(dǎo)電部分。
[0017]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一材料和絕緣材料被選擇為使得可以通過(guò)將上面布置有疊層的第一襯底加熱到100°c到1000°c優(yōu)選溫度范圍內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)第一材料到第一襯底的擴(kuò)散和/或第一材料和絕緣材料之間的反應(yīng)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，優(yōu)選地所述溫度范圍是在500°C和1000°C之間，更優(yōu)選地在700°C和900°C之間，最優(yōu)選地在750°C和800°C之間。
[0019]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一材料和絕緣材料之間的熱反應(yīng)可以是氧化-還原反應(yīng)，其中例如對(duì)第一材料進(jìn)行氧化并且對(duì)絕緣材料進(jìn)行還原。因此，所得到的反應(yīng)產(chǎn)物可以包括氧化的和未氧化的第一材料以及還原的和為還原的絕緣材料。
[0020]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一材料可以包括金屬和/或其氧化物或氮化物。例如，第一材料可以是鋁。
[0021]在本發(fā)明的實(shí)施例中，絕緣材料可以是類金屬(或半金屬)的氧化物，例如二氧化硅。
[0022]可以通過(guò)第一材料和/或絕緣材料的選擇來(lái)控制導(dǎo)電部分的電學(xué)特性。因此，可以相對(duì)于絕緣材料來(lái)有利地選擇第一材料，或者反之亦然，使得在對(duì)其加熱時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電混合物。
[0023]在示范性實(shí)施例中，第一材料可以是鋁(A1)并且絕緣材料可以是二氧化硅(Si02)，在這種情況下第一材料和絕緣材料之間的相應(yīng)反應(yīng)混合物包括Al、Alx0y、Si02、Alx(Si02)y和Si，得到了具有導(dǎo)電(即A1)和半導(dǎo)電(即Si)電學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)混合物。類似地，金(Au)也可以用于形成絕緣材料內(nèi)的導(dǎo)電部分。
[0024]另外，加熱溫度和/或誘導(dǎo)時(shí)間當(dāng)然也可以改變，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電部分的所需電學(xué)性質(zhì)。例如，通過(guò)改變溫度，可以控制反應(yīng)和/或擴(kuò)散的速率，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間，可以控制反應(yīng)和/或擴(kuò)散的程度。
[0025]每一個(gè)導(dǎo)電部分在第一襯底內(nèi)的深度與由于第一材料擴(kuò)散或者混合到絕緣層中和/或第一材料與絕緣層的絕緣材料的反應(yīng)導(dǎo)致的第一材料在絕緣層中的滲透深度相關(guān)，因此可以通過(guò)例如改變包括第一材料的第一層的厚度和/或絕緣層的厚度、改變加熱襯底的溫度或者改變加熱時(shí)間來(lái)控制每一個(gè)導(dǎo)電部分在第一襯底內(nèi)的深度。
[0026]因此，可以控制導(dǎo)電部分的延伸和結(jié)構(gòu)以適應(yīng)給定的所需應(yīng)用。
[0027]在本發(fā)明的實(shí)施例中，導(dǎo)電部分可以是穿過(guò)絕緣層形成的路徑，從而在絕緣層和下層襯底之間的界面處形成了電連接結(jié)，使得每一組納米結(jié)構(gòu)經(jīng)由每一個(gè)電連接結(jié)可電連接。
[0028]備選地在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以控制導(dǎo)電部分的結(jié)構(gòu)，使得第一襯底內(nèi)的導(dǎo)電部分的深度使得所述導(dǎo)電部分不穿透絕緣層，從而每一個(gè)導(dǎo)電部分與襯底相隔離，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)至每一個(gè)導(dǎo)電部分的電連接結(jié)，所述電連接結(jié)與電容性和/或電感性電連接相對(duì)應(yīng)。
[0029]對(duì)其上的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)進(jìn)行催化的第二層的第二材料可以有利地是導(dǎo)電或者半導(dǎo)電的。這種催化材料的示例包括但不限于Fe、Co和Ni。
[0030]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述疊層可以包括在第二層和第一層之間布置的中間層，其中中間層可以包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料，并且其中每一個(gè)中間層可以例如通過(guò)襯底的第一面頂部上的連接結(jié)構(gòu)與電源電連接，從而提供與每一組納米結(jié)構(gòu)的第二單獨(dú)可尋址電連接。
[0031]例如，中間層的導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料可以包括鑰和/或鈦、鑰和/或鈦的獨(dú)立層、或者任意其他合適的金屬、類金屬或者其氧化物、或者Pt、T1、Au、Mo、Pd和W的合金。
[0032]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述方法還可以包括步驟:在絕緣層下面提供連接結(jié)構(gòu)，配置為經(jīng)由相應(yīng)的導(dǎo)電部分提供與每一組納米結(jié)構(gòu)的第一電連接，通過(guò)本發(fā)明的方法形成所述導(dǎo)電部分。連接結(jié)構(gòu)可以與電源或感測(cè)裝置相連，從而實(shí)現(xiàn)絕緣層的導(dǎo)電部分與電源或感測(cè)裝置的電連接。[0033]在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以通過(guò)提供包括連接結(jié)構(gòu)的第二襯底來(lái)提供所述連接結(jié)構(gòu)。例如，所述連接結(jié)構(gòu)可以包括多個(gè)阱，所述阱包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料。
[0034]應(yīng)該注意的是可以在上述加熱步驟之前提供所述第二襯底。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，上述和其他目的是通過(guò)具有單獨(dú)可尋址納米結(jié)構(gòu)組的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括:襯底，具有第一面和絕緣層，所述絕緣層包括布置在襯底的第一面上的絕緣材料；多個(gè)導(dǎo)電部分，通過(guò)絕緣層內(nèi)的絕緣材料和導(dǎo)電材料之間的反應(yīng)而形成，所述部分彼此間隔開(kāi)；納米結(jié)構(gòu)組，布置在每一個(gè)導(dǎo)電部分上布置，使得每一個(gè)導(dǎo)電部分與相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)組電連接；連接結(jié)構(gòu)，在絕緣層下面，所述連接結(jié)構(gòu)可連接到電源或感測(cè)裝置并且配置為提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分的第一電連接，從而實(shí)現(xiàn)了每一組納米結(jié)構(gòu)的單獨(dú)尋址。
[0036]例如，所述電源可以包括傳統(tǒng)的AC或DC電源、電池、電容器系統(tǒng)，依賴于器件的所需應(yīng)用，感測(cè)裝置可以是萬(wàn)用表或其等價(jià)物。
[0037]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述器件可以包括第一襯底下面的第二襯底，并且其中所述第二襯底包括上述連接結(jié)構(gòu)。
[0038]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述連接結(jié)構(gòu)可以包括多個(gè)阱，每一個(gè)阱包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料、并且電學(xué)可連接到電源，其中每一個(gè)阱提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分的第一電連接。
[0039]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述導(dǎo)電部分可以是延伸通過(guò)絕緣層的路徑，從而所述電連接可以是導(dǎo)電部分和連接結(jié)構(gòu)之間的直接電連接。
[0040]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述導(dǎo)電部分可以延伸到絕緣層中期望的深度，使得所述導(dǎo)電部分與襯底相分離，從而第二襯底的連接結(jié)構(gòu)和每一個(gè)導(dǎo)電部分之間的電連接與電容性或電感性電連接相對(duì)應(yīng)。
[0041]假設(shè)如上所述的納米結(jié)構(gòu)組的單獨(dú)可尋址性，根據(jù)本發(fā)明的器件的許多應(yīng)用是可能的，例如傳感器、靜電激勵(lì)器、太陽(yáng)能電池、熱沉、納米天線、由于場(chǎng)發(fā)射產(chǎn)生的電子發(fā)射器、超級(jí)電容器、電子發(fā)射裝置、高頻激勵(lì)器、衍射光學(xué)器件和收縮波(pinchiave)高頻擴(kuò)音器。
[0042]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述器件可以包括在納米結(jié)構(gòu)組和導(dǎo)電部分之間的導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層，從而提供與每一組納米結(jié)構(gòu)的第二單獨(dú)可尋址電連接。
[0043]具有第一和第二單獨(dú)可尋址電連接可能對(duì)于以下應(yīng)用是有利的:例如束光刻工具的可編程陣列或者可調(diào)發(fā)射機(jī)或者可編程自適應(yīng)光學(xué)器件。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述器件可以包括與導(dǎo)電部分電流隔離的第二導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層，從而提供與到導(dǎo)電部分的電容性連接。通過(guò)形成與絕緣層中的導(dǎo)電部分電流隔離的附加觸點(diǎn)，可以通過(guò)電容性耦合控制流動(dòng)的電荷載流子。因此，可以形成諸如晶體管之類的三端器件?？梢詫⑿纬蛇@種觸點(diǎn)的第二導(dǎo)電層布置在絕緣層的表面處，用于控制頂部觸點(diǎn)和導(dǎo)電部分之間的界面。
[0045]備選地，可以將觸點(diǎn)集成到絕緣層中，以提供導(dǎo)電部分的電容性控制。例如，可以通過(guò)將器件靠在SOI (絕緣體上硅)晶片上并且在處理器件的其余部分之前在Si層上形成觸點(diǎn)，來(lái)形成絕緣層內(nèi)的觸點(diǎn)。
[0046]在本發(fā)明的實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)與襯底實(shí)質(zhì)上垂直對(duì)齊。納米結(jié)構(gòu)可以納米至厘米范圍的長(zhǎng)度。然而，納米結(jié)構(gòu)典型地可以具有納米至微米范圍的長(zhǎng)度。納米結(jié)構(gòu)的所需長(zhǎng)度當(dāng)然隨著器件的所需應(yīng)用而變化，并且因此可以有利地修改納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度以適應(yīng)器件的所需應(yīng)用。
[0047]在本發(fā)明的實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)是布置成束的多壁碳納米管。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0048]參考示出了本發(fā)明示范性實(shí)施例的附圖，現(xiàn)在更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他方面，其中:
[0049]圖1是示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制造包括納米結(jié)構(gòu)組的器件的方法的流程圖；
[0050]圖2a_d是器件的放大截面圖，其中每一個(gè)視圖與根據(jù)圖1的方法的制造工藝的階段相對(duì)應(yīng)；
[0051]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的器件的實(shí)施例的透視圖；以及
[0052]圖4a_c示出了根據(jù)本發(fā)明的器件的示范性實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。
【具體實(shí)施方式】
[0053]在以下描述中，參考制造器件的方法來(lái)描述本發(fā)明，所述器件包括:第一襯底，包括在第一襯底上布置的多組納米結(jié)構(gòu)，其中每一組納米結(jié)構(gòu)是單獨(dú)電學(xué)可控的。
[0054]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種方法，在包括絕緣材料的絕緣層的頂部上生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)組，并且在相同加熱周期期間，形成與絕緣層內(nèi)每一組納米結(jié)構(gòu)的單獨(dú)可尋址電連接。
[0055]現(xiàn)在將參考圖1詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例，圖1示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施例的步驟101-104，并且圖2a-d示出了在這些步驟的每一個(gè)之后得到的器件。
[0056]第一步驟101包括提供第一襯底200，所述第一襯底具有包括絕緣材料的絕緣層。例如，所述絕緣材料可以是Si02或Si3N4之一。襯底可以是在半導(dǎo)體加工中常用的任意類型的絕緣或半導(dǎo)體襯底，例如S1、Si02、石英等。
[0057]第二步驟102包括在絕緣層的第一面202上提供多個(gè)疊層204。如圖2b所示，將所述疊層布置在第一面202上，使得它們彼此分離。疊層204典型地可以具有納米至微米范圍的長(zhǎng)度和/或?qū)挾?或直徑)。此外，每一個(gè)疊層包括:第一層205，所述第一層205包括布置為與絕緣層201直接接觸的第一導(dǎo)電材料；以及第二層206，所述第二層206包括布置在第一層上的第二材料。典型地，第一材料與第二材料不同，其中第二材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)行催化。
[0058]具有納米結(jié)構(gòu)催化活性的第二材料的示例包括但不限于Fe、Ni和Co。
[0059]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)首先將第一層205沉積到第一襯底上并隨后在其上沉積第二層206，在第一襯底的第一面202上提供每一個(gè)疊層204。備選地，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，首先將第二層206沉積到第一層205上，隨后將所得到的包括第一層205和第二層206的疊層204沉積到第一襯底201上。例如，可以通過(guò)光刻和隨后的刻蝕限定疊層的圖案。備選地，可以在沉積第一層和第二層的同時(shí)使用障板(shadow mask)。
[0060]第三步驟103包括在氣體氛圍下加熱上面布置有多個(gè)疊層的襯底200，使得如圖2c所不將納米結(jié)構(gòu)207組形成于第二層206上,并且使得第一導(dǎo)電層205的第一材料擴(kuò)散到絕緣層201中和/或與絕緣層201的絕緣材料反應(yīng)，以在每一組納米結(jié)構(gòu)207下面的絕緣層201內(nèi)形成導(dǎo)電部分208，其中所述導(dǎo)電部分是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的，并且包括第一材料和絕緣材料的混合物和/或其反應(yīng)加合物，從而每一個(gè)導(dǎo)電部分208允許對(duì)相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)207組的單獨(dú)電學(xué)控制。
[0061]通過(guò)在絕緣層上將疊層204彼此分離，可以絕緣層上實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)組，其中每一組納米結(jié)構(gòu)207與在每一個(gè)疊層204上生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。
[0062]由于存在已經(jīng)擴(kuò)散到下面的絕緣材料中的導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的第一材料，所以提供了可以是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的導(dǎo)電部分208。附加地或備選地，第一材料可以與絕緣材料反應(yīng)以得到可以是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的反應(yīng)產(chǎn)物，在這種情況下第一材料本身不需要是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的導(dǎo)電部分。
[0063]在示范實(shí)施例中，第一材料是A1并且絕緣材料是Si02，在這種情況下，第一材料和絕緣材料之間的熱反應(yīng)典型地產(chǎn)生了具有絕緣性質(zhì)的αι203和具有半導(dǎo)體性質(zhì)的Si。因此在這種情況下，導(dǎo)電部分可以包括Al、S1、Si02、Alx(Si02)y和A1203的混合物。
[0064]然而應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是:期待導(dǎo)電材料和絕緣材料的許多其他材料組合可以提供期望的導(dǎo)電部分。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以確定，通過(guò)與在標(biāo)題“示例制造工藝”下描述的工藝類似的工藝形成了這種導(dǎo)電部，而無(wú)需任何不適當(dāng)?shù)呢?fù)擔(dān)就分。
[0065]因此可以通過(guò)第一導(dǎo)電材料和絕緣材料、絕緣層的厚度和第一層的厚度、擴(kuò)散/反應(yīng)溫度和加熱時(shí)間的選擇來(lái)容易地配置導(dǎo)電部分的電學(xué)性質(zhì)，例如以適應(yīng)所需的應(yīng)用。
[0066]類似地，也可以通過(guò)改變第一層205和絕緣層201的厚度和/或擴(kuò)散/反應(yīng)溫度和加熱時(shí)間來(lái)控制導(dǎo)電部分的形狀，從而配置所述形狀以適應(yīng)給定的應(yīng)用。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，如圖2c所實(shí)施的，導(dǎo)電部分208是從絕緣層延伸穿過(guò)的路徑。因此，每一個(gè)導(dǎo)電部分可以在絕緣層和襯底之間的界面203處直接電學(xué)可尋址。備選地在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中(圖2c中未示出)，導(dǎo)電部分可以配置為不延伸穿過(guò)絕緣層，使得每一個(gè)導(dǎo)電部分與襯底電隔離、從而在絕緣層和襯底之間的界面處實(shí)現(xiàn)了與導(dǎo)電部分的電容性和/或電感性電連接。
[0067]本發(fā)明不局限于生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的任何特定方法，所以在生長(zhǎng)步驟中的氣氛的成分可以依賴于所生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)的類型(例如，碳納米管、單壁或多壁碳納米纖維、ZnO納米線等等)。通?？梢允褂弥T如化學(xué)氣相沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、電弧放電、激光消融之類的方法或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的任意其他合適的方法。因此，氣氛通?？梢园ㄒ蚁?、氬氣、等離子體、氫氣、氮?dú)夂桶睔?用于碳納米管生長(zhǎng))的至少一種。
[0068]納米結(jié)構(gòu)可以有利地是碳納米管，具體地依賴于所需應(yīng)用可以是布置成具有納米至微米范圍長(zhǎng)度的束的多壁碳納米管。
[0069]有利地，可以選擇第一材料和/或絕緣材料，使得通過(guò)將具有其上布置的疊層的所述第一襯底加熱到從100°C至1000°c的優(yōu)選溫度間隔可以實(shí)現(xiàn)第一材料至第一襯底的擴(kuò)散和/或第一材料和絕緣材料之間的反應(yīng)，優(yōu)選地在500°C和1000°C之間，更優(yōu)選地在700°C和900°C之間，以及最優(yōu)選地在750°C和800°C之間。所選擇的溫度依賴于所需的具體納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)要求參數(shù)，并且依賴于針對(duì)給定材料組合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電部分所要求的溫度。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述方法還可以吧凹口第四步驟104，所述第四步驟可以包括如圖2d所示在絕緣層201下面布置第二襯底209，其中所述第二襯底209包括連接結(jié)構(gòu)210，所述連接結(jié)構(gòu)210配置為經(jīng)由導(dǎo)電部分208的相應(yīng)導(dǎo)電部分向每一組納米結(jié)構(gòu)207提供第一電連接。
[0071]例如，如圖2d所示，所述連接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)為多個(gè)包括導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料的阱210，其中每一個(gè)阱210可與電壓或感測(cè)裝置電連接，兵器從而是單獨(dú)可尋址。
[0072]備選地，在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施例中，可以在加熱步驟103之前的任意步驟提供第二襯底209，例如在第一步驟中，從而在加熱之后即刻實(shí)現(xiàn)了通過(guò)鏈接結(jié)構(gòu)210的第一電連接。此外，可以將類似的連接結(jié)構(gòu)合并到第一襯底中。
[0073]應(yīng)該注意的是:在根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，可以通過(guò)在每一個(gè)疊層的第一層和第二層之間提供包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料的中間層(圖2a_d未示出)來(lái)實(shí)現(xiàn)與每一組納米結(jié)構(gòu)的第二單獨(dú)可尋址電連接，例如，所述中間層可以通過(guò)絕緣層頂部上的連接結(jié)構(gòu)與電源電連接。
[0074]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的器件300的實(shí)施例的透視圖，包括具有第一面202和第二面203的絕緣層201，所述絕緣層201包括絕緣材料。在襯底的第一面202上包括多組納米結(jié)構(gòu)207，并且如圖3所示，納米結(jié)構(gòu)207組彼此間隔開(kāi)。另外，絕緣層201包括多個(gè)導(dǎo)電部分208，每一個(gè)導(dǎo)電部分208在相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)207組下面，使得每一個(gè)導(dǎo)電部分208與相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)207組電連接。導(dǎo)電部分208是導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電的。
[0075]在根據(jù)本發(fā)明的器件的實(shí)施例中，如圖3所示，所述器件還包括絕緣層201下面的襯底209，其中所述襯底209包括連接結(jié)構(gòu)，所述連接結(jié)構(gòu)可與電源或感測(cè)裝置相連并且配置為提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分208的第一電連接，從而實(shí)現(xiàn)了每一組納米結(jié)構(gòu)207的單獨(dú)可尋址。例如，所述電源包括傳統(tǒng)的AC或DC電源、電池、電容器系統(tǒng)，并且例如依賴于所述器件的所需應(yīng)用，所述感測(cè)裝置可以是萬(wàn)用表或等價(jià)物(例如，電壓表或安培表)。
[0076]在所述器件的實(shí)施例中，可以將納米結(jié)構(gòu)組有利地與襯底實(shí)質(zhì)上垂直地對(duì)齊。
[0077]典型地，納米結(jié)構(gòu)組與納米至微米范圍內(nèi)的長(zhǎng)度和/或?qū)挾?或直徑)相對(duì)應(yīng)。
[0078]在所述器件的實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)組可以包括布置成束的多壁碳納米管。
[0079]圖4a_c示出了根據(jù)本發(fā)明的器件的實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。如圖4a_c所示，連接結(jié)構(gòu)210包括多個(gè)阱210，所述阱210包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料并且電學(xué)可連接到電源。因此，每一個(gè)阱提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分208的第一電連接。
[0080]在根據(jù)本發(fā)明的器件410的實(shí)施例中，如圖4a所示，可以將導(dǎo)電部分實(shí)現(xiàn)為從絕緣層的第一面202延伸至絕緣層和襯底之間的界面203的路徑，從而第一電連接是導(dǎo)電部分208和連接結(jié)構(gòu)210之間的直接電連接。
[0081]在根據(jù)本發(fā)明的器件411的實(shí)施例中，如圖4b所示，導(dǎo)電部分從第一面202延伸到絕緣層201中期望的深度，使得導(dǎo)電部分與絕緣層和襯底之間的界面203分離，從而與每一個(gè)導(dǎo)電部分208的第一電連接與電容性電連接相對(duì)應(yīng)。
[0082]如圖4c所示，根據(jù)本發(fā)明的器件412可以包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層402，所述導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層402布置在每一組納米結(jié)構(gòu)207與下層導(dǎo)電部分208之間的絕緣層的第一面202上，并且每一個(gè)中間層通過(guò)絕緣層201的第一面202上的連接結(jié)構(gòu)403是電學(xué)可連接的,從而提供與每一組納米結(jié)構(gòu)207的第二單獨(dú)可尋址電連接。
[0083]在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，所述導(dǎo)電路徑可以包括至少一個(gè)整流結(jié)，所述整流結(jié)可以被定制為基于所選擇的材料而表現(xiàn)出期望的特性，從而使能制造諸如太陽(yáng)能電池、晶體管和超級(jí)電容器之類的器件。例如，只要第一導(dǎo)電層的材料可以到達(dá)絕緣層以形成導(dǎo)電部分，可以將附加的導(dǎo)電層布置在第一導(dǎo)電層和絕緣層之間。例如，第一導(dǎo)電層可以通過(guò)擴(kuò)散或者化學(xué)反應(yīng)與這種中間導(dǎo)電層相互作用。因此，因?yàn)椴煌牟牧显诮^緣層內(nèi)具有不同的擴(kuò)散/反應(yīng)性質(zhì)，可以在導(dǎo)電部分中形成整流結(jié)。另外，可以通過(guò)選擇層的厚度來(lái)控制這種整流結(jié)的位置。通過(guò)控制導(dǎo)電部分中整流結(jié)的位置和性質(zhì)，可以形成諸如晶體管和光伏器件之類的各種器件。
[0084]附加地，根據(jù)附圖、公開(kāi)和所附權(quán)利要求的研究，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在實(shí)踐要求權(quán)利的本發(fā)明時(shí)可以理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)于所公開(kāi)實(shí)施例的變化。例如，可以對(duì)絕緣層的表面進(jìn)行刻蝕，并且可以將疊層布置在刻蝕過(guò)的表面上，從而可以將所產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)與刻蝕過(guò)的表面實(shí)質(zhì)上對(duì)齊。另外，所述疊層的第二層(布置在疊層的第一層上)可以只覆蓋第一層的一部分。
[0085]在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單獨(dú)的處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求中引用的幾種條目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉特定措施并不表示不能有利地使用這些措施的組合。
[0086]制誥工藝的示例:
[0087]導(dǎo)電碳納米管束的生長(zhǎng):
[0088]使用上面具有0.5 μ m氧化物層的硅晶片來(lái)制造器件。使用光刻、金屬蒸發(fā)和剝離對(duì)金屬和催化劑(300nm的招和lnm的鐵)進(jìn)行構(gòu)圖。以lOOsccm的氫氣和400sccm的氦氣氣流在775°C下將催化劑 退火20分鐘，以激活催化劑材料。在退火之后，即刻在將樣品冷卻前在保持相同溫度的同時(shí)通過(guò)將lOOsccm的乙烯引入到石英管中30分鐘來(lái)執(zhí)行碳納米管的生長(zhǎng)。
[0089]在表1中總結(jié)了用于生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的配方:
[0090]
【權(quán)利要求】
1.一種制造器件(300,410-412)的方法，所述器件包括第一襯底(201),所述第一襯底包括布置在所述第一襯底上的多組納米結(jié)構(gòu)(207)，其中每一組納米結(jié)構(gòu)是單獨(dú)電學(xué)可尋址的，所述方法包括步驟:提供(101)具有第一面(202)的襯底(200)，所述襯底具有絕緣層(210)，所述絕緣層包括布置在襯底的第一面(202)上的絕緣材料，從而在絕緣層和襯底之間形成界面(203)；在第一襯底上提供(102)多個(gè)疊層(204)，所述疊層彼此間隔開(kāi)，其中每一個(gè)疊層包括第一導(dǎo)電層(205)和第二導(dǎo)電層(206),所述第一導(dǎo)電層包括第一導(dǎo)電材料,所述第二導(dǎo)電層包括與第一材料不同的第二導(dǎo)電材料，所述第二導(dǎo)電層布置在所述第一導(dǎo)電層上以催化納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；在還原氣氛中加熱(103)上面布置有所述多個(gè)疊層的第一襯底，以使能第二導(dǎo)電材料上納米結(jié)構(gòu)的形成；在氣氛中加熱(103)上面布置有所述多個(gè)疊層(204)的第一襯底，使得在第二層(206)上形成納米結(jié)構(gòu)(207)；其中絕緣材料和第一導(dǎo)電材料被選擇為使得在所述加熱步驟期間，第一導(dǎo)電材料與絕緣材料起反應(yīng)，以在每一個(gè)疊層(204)下面的絕緣層(201)內(nèi)形成導(dǎo)電部分(208)，其中所述導(dǎo)電部分包括第一導(dǎo)電材料與絕緣材料的混合物和/或其反應(yīng)加合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一材料和/或絕緣材料被選擇為使得通過(guò)將上面布置有疊層(204)的第一襯底加熱到100°C到1000°C溫度范圍內(nèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)第一材料到第一襯底(201)中的擴(kuò)散和/或第一材料與絕緣材料之間的反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，優(yōu)選地所述溫度范圍是在500°C和1000°C之間，更優(yōu)選地在700°C和900°C之間，最優(yōu)選地在750°C和800°C之間。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方`法，其中，導(dǎo)電部分(208)是穿過(guò)所述絕緣層(201)形成的路徑，使得每一組納米結(jié)構(gòu)(207)經(jīng)由每一個(gè)電連接結(jié)是可電連接的。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括提供連接結(jié)構(gòu)(210)的步驟，所述連接結(jié)構(gòu)配置為經(jīng)由相應(yīng)的導(dǎo)電部分(208)來(lái)提供與每一組納米結(jié)構(gòu)(207)的第一電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括提供包括連接結(jié)構(gòu)(210)的第二襯底(209)的步驟，所述連接結(jié)構(gòu)配置為經(jīng)由相應(yīng)的導(dǎo)電部分(208)來(lái)提供與每一組納米結(jié)構(gòu)(207)的第一電連接。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述疊層包括布置在第二層和第一層之間的中間層，其中所述中間層包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料，每一個(gè)中間層與電源或感測(cè)裝置電連接，從而提供與每一組納米結(jié)構(gòu)的第二單獨(dú)可尋址電連接。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，第一導(dǎo)電材料包括金屬。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，第一導(dǎo)電材料包括A1或Au。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，絕緣材料包括Si02、Si3N4和石英中的至少一個(gè)。
11.一種具有單獨(dú)可尋址的納米結(jié)構(gòu)(207)組的器件(300，410-412)，包括:襯底(200)，具有第一面(202)和絕緣層(201)，所述絕緣層(201)包括布置在襯底的第一面(202)上的絕緣材料；多個(gè)導(dǎo)電部分(208)，通過(guò)絕緣層內(nèi)的絕緣材料與導(dǎo)電材料之間的反應(yīng)而形成，所述導(dǎo)電部分彼此間隔開(kāi)；納米結(jié)構(gòu)組，布置在每一個(gè)導(dǎo)電部分(208)上，使得每一個(gè)導(dǎo)電部分與相應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)組電連接；連接結(jié)構(gòu)(210)，在絕緣層下面，所述連接結(jié)構(gòu)可連接到電源或感測(cè)裝置，并且配置為提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分的第一電連接，從而使能每一組納米結(jié)構(gòu)的單獨(dú)尋址。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件(300,410-412)，其中，所述器件包括在第一襯底(200)下面的第二襯底(209)，所述第二襯底包括所述連接結(jié)構(gòu)(210)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的器件(300,410-412)，其中，連接結(jié)構(gòu)包括多個(gè)阱(210)，所述阱包括導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電材料并且可電連接到電源或感測(cè)裝置，其中每一個(gè)阱提供與每一個(gè)導(dǎo)電部分的第一電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，導(dǎo)電部分是從第一襯底的第一面延伸至第一襯底的第二面的路徑，從而第一電連接是導(dǎo)電部分和連接結(jié)構(gòu)之間的直接電連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，導(dǎo)電部分(208)從第一襯底的第一面(202)延伸到第一襯底(200)中期望的深度，使得導(dǎo)電部分與第一襯底(200)和絕緣層(201)之間的界面(203)分離，從而與每一個(gè)導(dǎo)電部分的第一電連接對(duì)應(yīng)于電容性和/或電感性電連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，所述器件包括在納米結(jié)構(gòu)(207)組和導(dǎo)電部分(208)之間的導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層(402，403)，從而提供與每一組納米結(jié)構(gòu)的第二單獨(dú)可尋址電連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，所述器件包括與導(dǎo)電部分(208)電流隔離的第二導(dǎo)電和/或半導(dǎo)電中間層，從而提供與導(dǎo)電部分的電容性連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，納米結(jié)構(gòu)與第一襯底(200)實(shí)質(zhì)上垂直對(duì)齊。
19.根據(jù)權(quán)利要求11-18中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，絕緣材料包括Si02、Si3N4中的至少一個(gè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11-19中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，導(dǎo)電材料包括A1或Au。
21.根據(jù)權(quán)利要求11-20中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，導(dǎo)電材料包括A1，絕緣材料包括Si02。
22.根據(jù)權(quán)利要求11-20中任一項(xiàng)所述的器件(300,410-412)，其中，導(dǎo)電部分包括至少一個(gè)整流結(jié)。
【文檔編號(hào)】H01J9/02GK103650093SQ201280031224
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月29日
【發(fā)明者】瓦卡斯·哈立德 申請(qǐng)人:瓦卡斯·哈立德