專利名稱：一種基于硼碳氮納米材料的場效應晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管由于其獨特的電學和力學特性，成為極具潛力的基礎(chǔ)科學研究和制作納米電子器件的熱門材料。目前利用碳納米管已經(jīng)制備出了各種不同的電子元器件，包括二極管，場效應晶體管，振蕩器和一些基本的邏輯門電路。(V.Derycke，R.Martel，J.Appenzeller，and Ph.Avouris，Nano Lett.1，453(2001)；Adrian Bachtold，Peter Hadley，Takeshi Nakanishi，Cees Dekker，Science 294，1317(2001)；SanderJ.Tans，Alwin R.M.Verschueren & Cees Dekker，Nature 393，49(1998)；Zhihong Chen，Joerg Appenzeller，Yu-Ming Lin，JenniferSippel-Oakley，Andrew G.Rinzler，Jinyao Tang，Shalom J.Wind，PaulM.Solomon，Phaedon Avouris，Science 311，1735(2006))。但是碳納米管制作納米器件的一個很大的難題在于，碳納米管在導電性質(zhì)上分為半導體性的和金屬性的兩種。一般方法合成的碳納米管都是半導體性的納米管和金屬性的納米管混合在一起，而只有半導體性的納米管才能用來制作器件，金屬性的管子混雜在半導體管子中間，會導致器件失效。因此納米管器件無法大規(guī)模的制作，更不能被集成。
為了解決這一難題，目前有幾種代表性的辦法(1)使用重金屬鹽和金屬性的管反應使其變?yōu)椴粚щ姀亩拱雽w性的納米管行使器件的功能(Lei An，Qiang Fu，Chenguang Lu，and Jie Liu，JACS，126，10520(2006))；(2)使用超高速離心機離心納米管的分散溶液，半導體性的管和金屬性的管密度不同而分開(MICHAEL S.ARNOLD，ALEXANDER A.GREEN，JAMES F.HULVAT，SAMUEL I.STUPP AND MARK C.HERSAM Nature Nanotechnology，1，60(2006))；(3)使用等離子體刻蝕的方法，金屬性的反應活性高從而被刻蝕掉，半導體性的留下來(Guangyu Zhang，Pengfei Qi，Xinran Wang，Yuerui Lu，Xiaolin Li，Ryan Tu，Sarunya Bangsaruntip，David Mann，Li Zhang，Hongjie Dai，Science 314，974(2006))。這幾種方法都是后處理的方法，步驟復雜，操作困難大，成本很高，規(guī)模化比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用純半導體性納米材料制備場效應晶體管，從而極大地提高制作碳納米管器件的成功率，為大規(guī)模制作與系統(tǒng)集成奠定基礎(chǔ)。同時，由于本發(fā)明采用更短更小的一維納米材料，以及“自下而上”的納器件制備方法，故而將對工藝流程的簡化和器件集成度的提升產(chǎn)生深遠的影響。本發(fā)明還進一步提供了一種制備基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管存儲器的具體方法，此方法工藝簡潔，與半導體集成電路工藝兼容。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管，其由硅襯底(1)(同時作為柵區(qū))，其上的絕緣層(2)，以及源區(qū)(3)、漏區(qū)(5)和位于源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之間的一維硼碳氮納米材料導電通道(4)組成；其中源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)由與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜構(gòu)成，在制作源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之前，一維硼碳氮納米材料被均勻地布散在柵區(qū)(2)上。其中硅襯底(1)由重摻雜的硅片制成；所述絕緣層由通過干氧化法得到的二氧化硅制成。其中一維硼碳氮納米材料可為硼碳氮納米管或納米線或納米纖維等線形形狀的納米材料。
進一步所述源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)的金屬膜優(yōu)選為均為由2納米厚的鈦金屬和20納米厚的金金屬層構(gòu)成的雙層膜。
上述基于一維硼碳氮納米材料的效應晶體管的制備方法，依次包括以下步驟(1)先將硅片表面氧化以形成絕緣層，并清洗硅片以作為襯底；(2)提純一維硼碳氮納米材料，并分散一維硼碳氮納米材料，得到單根分散溶液；(3)把一維硼碳氮納米材料單根分散溶液涂布在絕緣層所需部分上；(4)在絕緣層和硼碳氮納米材料上涂布光刻膠，通過光刻形成了源/漏區(qū)的光刻圖形，(5)在光刻圖形表面鍍上與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜，再清洗掉光刻膠，得到源/漏電極對陣列圖形；(6)在氮氣或者氬氣保護下退火。
本發(fā)明以半導體性的一維硼碳氮納米材料作為器件的導電溝道，成功制作了場效應晶體管，器件的成功率超過95％，遠遠超過純的單壁碳納米管的水平。本發(fā)明是一種徹底解決單壁碳納米管金屬性和半導體性混合在一起這個難題的方法；并且由于采用更短更小的一維納米線(具體指“單壁硼碳氮納米管”材料)和“自下而上”的納器件制備方法，更加便于未來器件的制備工藝的簡化以及集成度的提升。同時，這一工藝與現(xiàn)有的半導體IC工藝完全兼容，而且簡潔的制作工藝能夠有效地提高器件的成品率。本發(fā)明將為基于一維硼碳氮納米材料場效應晶體管的大規(guī)模制作與集成應用開辟廣闊的空間。


圖1a為本發(fā)明場效應晶體管單元截面示意圖；圖1b為圖1所示場效應晶體管俯視圖；圖2為本發(fā)明場效應晶體管制備方法流程圖；圖3為本發(fā)明場效應晶體管制備過程示意圖；圖4a為構(gòu)造的場效應管實物的原子力顯微鏡照片；圖4b為本發(fā)明場效應晶體管的溝道電流-柵極電壓IDS-Vg特性曲線；圖4c為本發(fā)明場效應晶體管在不同偏壓下的溝道電流-柵極電壓IDS-VDS曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
如圖1a、圖1b所示，本發(fā)明一種基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管由硅襯底1，(同時作為柵區(qū)，)其上的絕緣層2，以及源區(qū)3、漏區(qū)5和位于源區(qū)3和漏區(qū)5之間的單壁硼碳氮納米管導電通道4組成。源區(qū)3和漏區(qū)5為與硼碳氮納米管有良好接觸性能的鈦、金雙層金屬膜，在制作源區(qū)3和漏區(qū)5之前，單壁硼碳氮納米管被均勻地布散在柵區(qū)2上。
本發(fā)明由于用一維納米材料(具體指“單壁硼碳氮納米管”材料)取代硅材料做為導電通道，并且采用“自下而上”的納器件制備方法，使得工藝流程大為簡化。
根據(jù)反復試驗，發(fā)明人設(shè)計了如圖2、圖3所示的工藝流程，具體為1.制備基片先將硅片表面氧化以形成絕緣層，并清洗該重摻雜硅片以作為基片襯底，將基片襯底依次放入丙酮、酒精和去離子水中進行超聲波清洗5分鐘。
2.提純單壁硼碳氮納米管，分散單壁硼碳氮納米管，得到單根分散溶液把單壁硼碳氮納米管先用濃鹽酸浸泡，去除催化劑顆粒。把離心得到的沉淀在空氣中加熱到450攝氏度，除去非晶碳得到純度較高的納米管粉末。
將上述純化得到的粉末，加入二氯乙烷，并進行超聲波處理，離心去除沉淀，得到分散均勻的納米管溶液。
3.涂布硼碳氮納米管單根分散溶液把一維硼碳氮納米材料單根分散溶液，通過涂膠機上旋涂在絕緣層所需部分上，溶液干了之后，維硼碳氮納米管就吸附在硅基片襯底上。
4.涂布光刻膠，通過光刻形成了源/漏區(qū)的光刻圖形在絕緣層和硼碳氮納米材料上涂布光刻膠，通過電子束光刻形成了源/漏區(qū)的光刻圖形，電子光刻膠PMMA950旋涂4500RPM。
5.鍍金屬膜，得到源/漏電極對陣列電極圖形在光刻圖形上鍍上與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜，可優(yōu)選為2nm鈦金屬膜和20nm金金屬膜，將鍍膜后的片子在丙酮溶液里浸泡，再清洗掉光刻膠，用剝離(lift-off)工藝得到源/漏電極對陣列電極圖形。
6.在氮氣或者氬氣保護下退火最后在氮氣或者氬氣保護下于350-400攝氏度進行后退火，以改善源/漏電極與單壁納米管導電通道之間的接觸，提高器件性能。
至此，單壁硼碳氮納米管場效應晶體管制備完畢，其器件結(jié)構(gòu)和整個工藝過程分別如圖1和3所示。
圖4a-4c所示為單個器件的測量結(jié)果。
一般用溝道電流-柵極電壓IDS-Vg特性曲線來衡量一個場效應晶體管的性能。圖4a為一個器件的原子力顯微鏡照片，在源漏電極之間有一個納米管鏈接。圖4b為該器件的IDS-Vg轉(zhuǎn)移特性曲線。測試時保持源漏電壓VDS＝0.1V不變，而柵極電壓逐步從-20V增大到+6V，每步步長均為2V。圖4c是不同柵極電壓下的IDS-VDS曲線。固定柵極電壓，掃描源漏之間的I-V曲線。源漏偏壓從0V降到-1V，柵極電壓從0V降到-20V，步長5V?？梢钥吹?，在負的柵極電壓時，源漏電流大，器件處于導通狀態(tài)，而在正的柵極電壓下，源漏之間電流相當?shù)牡停幱诮刂翣顟B(tài)。這樣通過柵極的電壓，就可以控制器件的開通和截至狀態(tài)，成為一個場效應晶體管。并且在負的柵極導通，所以這種場效應管是P型的。在零柵極電壓的情況下，源漏之間也是沒有電流的，屬于增強型的場效應晶體管，功耗更低。此晶體管的電流開關(guān)比從B圖可以看出，達到5個數(shù)量級。
實驗中測量了200個獨立器件，其中191個可以被截止(即，可以作為場效應晶體管)，成功率達到了95％以上。綜上所述，本發(fā)明的基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管，利用一維硼碳氮納米材料作為場效應晶體管的導電通道，極大的提高了納米管器件的成功率，性能上達到了一般的碳納米管場效應晶體管的水平。本發(fā)明是一種更高效，工藝更簡單，成功率更高的納米器件，避免了普通單壁碳納米管金屬性和半導體性管混雜在一起的難題。在器件規(guī)?；谱骱图煞矫婢哂袠O強的應用價值。
權(quán)利要求
1.一種基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管，其特征在于，該場效應晶體管由硅襯底(1)，其上的絕緣層(2)，以及源區(qū)(3)、漏區(qū)(5)和位于源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之間的一維硼碳氮納米材料導電通道(4)組成；其中源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)由與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜制成，在制作源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之前，一維硼碳氮納米材料被均勻地布散在柵區(qū)(2)上，所述硅襯底同時作為柵極。
2.如權(quán)利要求1所述的基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管，其特征在于，所述一維硼碳氮納米材料是指硼碳氮納米管或納米線或納米纖維等線形形狀的納米材料。
3.如權(quán)利要求1所述的基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管，其特征在于，所述硅襯底(1)由重摻雜的硅片制成；所述絕緣層由通過干氧化法得到的二氧化硅制成。
4.如權(quán)利要求1所述的基于一維硼碳氮納米材料的鐵電場效應晶體管，其特征在于，所述源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)的金屬膜均為由2納米厚的鈦金屬和20納米厚的金金屬層構(gòu)成的雙層膜。
5.權(quán)利要求1中任意一項所述的基于一維硼碳氮納米材料的場效應晶體管的制備方法，其具體步驟如下(1)先將硅片表面氧化以形成絕緣層，并清洗硅片以作為襯底；(2)提純一維硼碳氮納米材料，并分散一維硼碳氮納米材料，得到單根分散溶液；(3)把一維硼碳氮納米材料單根分散溶液涂布在絕緣層所需部分上；(4)在絕緣層和硼碳氮納米材料上涂布光刻膠，通過光刻形成了源/漏區(qū)的光刻圖形；(5)在光刻圖形表面鍍上與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜，再清洗掉光刻膠，得到源/漏電極對陣列圖形；(6)在氮氣或者氬氣保護下退火。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，其中步驟(2)中用來分散一維硼碳氮納米材料的液體是二氯乙烷。
7.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，其中步驟(3)中的涂布方法為旋涂，一維硼碳氮納米材料在襯底的密度用旋涂的次數(shù)來控制。
8.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)光刻時源/漏電極相距300納米到2微米。
9.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟(6)退火的溫度為350-400℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用一維硼碳氮納米材料作為導電通道的場效應晶體管及其制備方法。該場效應晶體管由硅襯底(1)，其上的絕緣層(2)，以及源區(qū)(3)、漏區(qū)(5)和位于源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之間的一維硼碳氮納米材料導電通道(4)組成；其中源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)由與硼碳氮納米材料有良好接觸性能的金屬膜構(gòu)成，在制作源區(qū)(3)和漏區(qū)(5)之前，一維硼碳氮納米材料被均勻地布散在柵區(qū)(2)上。其中硅襯底(1)由重摻雜的硅片制成；所述絕緣層由通過干氧化法得到的二氧化硅制成。利用一維硼碳氮納米材料具有帶隙可在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的半導體特性，極大地提高了制作基于納米管器件的成功率(普通碳納米管中半導體性管在理論上只占67％)。本發(fā)明有利于實現(xiàn)納米管器件的大規(guī)模制作和系統(tǒng)集成。
文檔編號H01L21/02GK101075637SQ20071009932
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者王恩哥, 許智, 白雪冬, 王文龍 申請人:中國科學院物理研究所