[发明专利]一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管领域，具体为一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

单壁碳纳米管因具有优异的电学、光学及力学等诸多性能，因而在下一代的纳电子器件中具有良好的应用前景。例如，单壁碳纳米管的载流密度高达10⁹A/cm²，这比传统的金属材料铜高几个数量级；由半导体性单壁碳纳米管构建的场效应晶体管，通过栅压的调节，可以实现电流调节的开关比可高达10⁵，是作为逻辑电路的理想基本单元。然而，所有的单壁碳纳米管制备方法得到的单壁碳纳米管都是金属性和半导体性的混合物。通常情况下，产物中有1/3为金属性，2/3为半导体性。所以，为了实现单壁碳纳米管在纳电子器件中的应用，需要制备高纯度的半导体性单壁纳米碳管样品，以使得场效应晶体管的沟道不被金属性单壁碳纳米管短路，从而获得高性能的场效应晶体管。

为了获得高性能的场效应晶体管，早期开展的大量工作多围绕在：

(1)选择性生长半导体性单壁碳纳米管富集的样品（文献1，Qu LT,Du F，Dai LM,Nano Letters,2008.8(9):p.2682-2687）。

(2)通过后处理方法将半导体性单壁碳纳米管从原始样品中分离出来（文献2，Tanaka T，Jin HH,Miyata Y,Fujii S,Suga H,Naitoh Y,et al.,Nano Letters,2009.9(4):p.1497-1500）。

(3)电致金属性单壁碳纳米管烧蚀，调节场效应晶体管的栅压使半导体性单壁碳纳米管关断，金属性单壁碳纳米管导通，并通以大电流，使得金属性单壁碳纳米管通路烧断（文献3，Collins PC,Arnold MS,Avouris P,Science,2001.292(5517):p.706-709）。

(4)气相反应，由于金属性及半导体性单壁碳纳米管的电子结构不同，金属性单壁碳纳米管在费米面附近具有电子占据态，因而相对于半导体性单壁碳纳米管具有更高的化学反应活性，通过选择具有刻蚀性的小分子，如O₂、H₂O等可以实现对金属性单壁碳纳米管的优先刻蚀，留下半导体体性的单壁碳纳米管，从而提高器件的开关性能（文献4，Yu B,Hou PX,Li F，Liu BL,Liu C,Cheng HM,Carbon,2010.48(10):p.2941-2947）。

尽管上述研究取得了较大进展，但依然存在一些弊端，如处理过程耗时低效、难以规模化，不利于器件的直接制备，所得器件性能的稳定性有待提高等。

因此，为促进单壁碳纳米管在微纳电子器件的应用，目前亟需解决的一个瓶颈问题是：如何发展一种简单、高效、可大规模制备碳纳米管器件及其集成电路的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法，该技术具有清洁、高效的特点，并有可能用于制造大规模全碳集成电路。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种全单壁碳纳米管场效应晶体管，以半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，以金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源电极或漏电极。

所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

（1）利用离子束辅助沉积法在Si/SiO₂基体上沉积0.02nm-2nm厚的催化剂，所述沉积金属膜后的基体在800-1000℃，在Ar/H₂混合气氛中预处理2-20min形成金属纳米粒子，之后利用Ar载碳氢有机物作为碳源，引发单壁碳纳米管的生长；

（2）利用光刻技术在Si/SiO₂基体上沉积具有碳热反应的金属膜，并在200-700℃预氧化得到金属氧化物膜；

（3）将带有金属氧化物膜的基体与生长有单壁碳纳米管薄膜的基体相对叠放，施加压力，保证两者之间的紧密贴合；在200-500℃空气气氛中，金属氧化物膜与单壁碳纳米管薄膜接触发生碳热反应5-45min之后将两者分开，经酸洗去除残留的金属氧化物；

单壁碳纳米管薄膜中与金属氧化物膜接触的反应区仅留下半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，而沟道以外未受影响的单壁碳纳米管作为源电极或漏电极；从而，获得全单壁碳纳米管场效应晶体管。

所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤（1）中，催化剂为Fe、Ni或Co，作为表面生长单壁碳纳米管的催化剂。