一种n型纳米半导体器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种n型纳米半导体器件及其制备方法。通过采用低功函数的金属铪(Hf)作为接触电极材料与碳纳米管形成n型接触，可用于制备高性能的n型碳纳米管光电器件，也可用于制备以碳纳米管为基的其他各种高性能的纳电子器件，包括非对称多层光电探测器、级联光电探测器、互补型场效应晶体管等。本发明专利技术进一步提升了碳纳米管n型金属接触的稳定性，提高了器件的性能，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种n型纳米半导体器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种纳米半导体器件及其制作方法，尤其涉及一种具有n型基于碳纳米管的纳米半导体器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。碳纳米管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。用碳纳米管构建的各种纳电子器件如场效应晶体管、逻辑运算电路、振荡器、生物以及化学传感器等已经被广泛地研究，器件的性能在许多方面已经超过目前的微电子器件。这些都大大地促进了纳电子器件的实用化进程。以碳纳米管为基的各种纳电子器件中都不可避免地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金属连接，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。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的p型MOSFET。
[0003]众所周知，作为逻辑电路基本单元的CMOS同时需要p型和n型场效应晶体管。尽管p-型碳纳米管场效应晶体管已经制备得很好，但n型碳纳米管场效应晶体管的研究还远远落后于p型器件。目前用来制备n型碳纳米管场效应晶体管的方法主要有两种，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。这种方法虽然可以得到性能较好的n型器件，但是掺杂并不稳定，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。
[0004]另一种是采用低功函数的金属(如Al，Mg，Ca)作为电极材料来实现金属与碳纳米管的n型接触。由于碳纳米管的准一维特性，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，因此碳纳米管的价带底约为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。虽然Al(4.3eV)，Mg(3.60eV)，Ca(2.87eV)的功函数较低，但它们在空气中极易氧化，难以获得性能稳定的n型接触；氧的吸附也会导致金属功函数的升高，从而导致Schottky势垒的升高；另外这三种金属与碳纳米管的浸润性也不好，这些都导致了利用Al，Mg，Ca难以与碳纳米管形成高性能的n型接触。
[0005]目前的研究中采用Sc和Y金属作为n型接触，在一定程度上能够提升器件的稳定性,但是由于形成n型欧姆接触的低功函数Sc和Y金属化学性质活泼，而且容易与氧气和水反应，需要复杂的钝化层的封装，此外，Sc和Y金属其氧化层较厚，一般大于8nm，存在接触电极的尺寸缩减问题。目前在保持其欧姆接触前提下，只能做到25纳米接触电极宽度，无法满足碳纳米管10nm节点下的电极尺寸要求。同时，Sc(21)和Y(39)金属的原子序数相对小，均为活泼金属，在接触电极尺寸缩减时容易发生电迁移，而且易氧化，存在氧化层，并且器件
长期稳定差，无法实现电子器件小尺寸化。
[0006]因此，如何形成稳定性更高、电学性能更好、封装工艺更简单的n型接触已成为限制纳米半导体器件小型化的重要因素。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对以上现有技术中存在问题，提出一种采用金属铪进行高性能n型接触的纳米半导体器件及其制备方法，本专利技术的技术方案具体如下：
[0008]本专利技术提出了一种纳米半导体器件，如图1所示，其具有碳纳米管作为导电通道，具有一金属铪(Hf)电极与上述碳纳米管形成n型欧姆接触。
[0009]优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
[0010]优选地，在上述金属铪(Hf)电极的厚度为10nm-120nm。
[0011]优选地，在上述碳纳米管上以及上述碳纳米管上与金属铪(Hf)接触部位上包覆有一封装介质，其厚度为20nm-2μm，选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN
x
)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
[0012]优选地，上述衬底具有一底栅电极，并在上述碳纳米管和上述底栅电极之间具有一栅介质层，其中上述底栅电极选自重掺硅、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)，上述栅介质层优选为二氧化硅(SiO2)或氧化铪(HfO2)
[0013]优选地，在上述碳纳米管上具有一栅介质层，上述栅介质层上具有一栅极，其中上述栅介质层选自氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或氧化钇(Y2O3)。
[0014]优选地，上述栅介质层为非对称型、U型或T型。
[0015]优选地，上述栅极材料选自金(Au)、钯(Pd)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
[0016]本专利技术的另一方面提出了一种纳米半导体器件的制备方法，在衬底上形成一碳纳米管，然后选用纯度为98％以上的金属铪(Hf)作为靶材，并在沉积之前进行预溅射工艺，以去除金属铪(Hf)电极表面的氧化物，随后通过电子束蒸发或磁控溅射在其上沉积金属铪(Hf)电极，使得金属铪(Hf)电极与上述碳纳米管形成n型欧姆接触。
[0017]优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
[0018]优选地，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN
x
)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
[0019]本专利技术的另一方面还提出了一种纳米光电器件，具有一栅极和作为导电通道的碳纳米管，在上述栅极和上述碳纳米管之间具有一栅介质，在上述碳纳米管上具有一与其接触的一个高功函数金属接触和一个低功函数金属接触，上述低功函数金属为金属铪(Hf)，其与上述碳纳米管构成n型欧姆接触。
[0020]本专利技术上述的高功函数金属是指功函数高于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Pd；上述低功函数金属是指功函数低于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Al、Mg、Ca、Sc、Y、Hf等。高功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的价带相连，有效地向碳纳米管的价带注入空穴；而低功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的导带相连，有效地向碳纳米管的导带注入电子。
[0021]优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
[0022]优选地，上述高功函数金属电极为Pd电极。
[0023]优选地，上述栅极位于上述碳纳米管下方，上述栅极选自重掺硅、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)，上述栅介质选自二氧化硅(SiO2)或氧化铪(HfO2)。
[0024]优选地，上述栅极位于上述碳纳米管上方，上述栅介质选自氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米半导体器件，其具有碳纳米管作为导电通道，其特征在于，具有一金属铪(Hf)电极与所述碳纳米管形成n型欧姆接触。2.如权利要求1所述的纳米半导体器件，其特征在于，所述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。3.如权利要求1-2所述的纳米半导体器件，其特征在于，在所述金属铪(Hf)电极的厚度为10nm-120nm。4.如权利要求1所述的纳米半导体器件，其特征在于，在所述碳纳米管上以及所述碳纳米管上与金属铪(Hf)接触部位上包覆有一封装介质。5.如权利要求4所述的纳米半导体器件，其特征在于，所述封装介质的厚度为20nm-2μm。6.如权利要求4或5所述的纳米半导体器件，其特征在于，所述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al 2
O3)、氮化硅(SiN
x
)、氧化硅(SiO2)或聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志强，王胜，
申请(专利权)人：北京大学北京华碳元芯电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：