独立式静电掺杂碳纳米管器件及其制造方法 |
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申请号 | CN200610004107.9 | 申请日 | 2006-02-20 | 公开(公告)号 | CN100592546C | 公开(公告)日 | 2010-02-24 |
申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | J·U·李; | ||||
摘要 | 一种用于形成独立式静电掺杂 碳 纳米管 器件的方法和相关联的结构。所述方法包括将 碳纳米管 设置在基底上以便具有独立部分。形成所述碳纳米管的独立部分的一种方式是去除所述基底的一部分。形成所述碳纳米管的独立部分的另一种方式是将一对金属 电极 设置在第一基底部分上、去除所述第一基底部分与所述金属电极接近的部分以及将第二基底部分一致地设置在所述第一基底部分上以形成沟槽。 | ||||||
权利要求 | 1、一种静电掺杂碳纳米管器件(110),包括: 碳纳米管(112),所述碳纳米管被设置在基底(22)上以使得至少一部分所述碳纳米管是独立的,其中所述碳纳米管具有第一端(114)和第二端(116); 直接设置在接近所述碳纳米管的所述第一端的位置处的第一金属触点(18); 直接设置在接近所述碳纳米管的所述第二端的位置处的第二金属触点(20),其中所述碳纳米管被电耦接至所述第一和第二金属触点; 设置在所述基底中且接近所述碳纳米管的所述第一端且与其相隔一定距离的第一金属电极(24),其中所述第一金属电极被电容性地耦接至所述碳纳米管的所述第一端且可操作以接收第一偏压以对所述碳纳米管的所述第一端进行静电掺杂;和 设置在所述基底中且接近所述碳纳米管的所述第二端且与其相隔一定距离的第二金属电极(26),其中所述第二金属电极被电容性地耦接至所述碳纳米管的所述第二端且可操作以接收第二偏压以对所述碳纳米管的所述第二端进行静电掺杂。 |
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说明书全文 | 独立式静电掺杂碳纳米管器件及其制造方法对相关申请的交叉参考本申请是于2003年10月10日申请的序号为No. 10/683, 895的美国专利申请的部分继续申请且要求所述专利申请的优先权,所述专利申请的整体内容在此作为参考被引用。 技术领域背景技术碳纳米管由于其具有用作纳米级电子器件如二极管、晶体管和半导体电路的可能性而因此近年来已经吸引了大量注意。在结构上,碳纳米管类似于巻成圆筒的碳的六方晶格且可能属于两个品种,即单壁品种和多壁品种,中的一种。这些品种中的任一种可根据其手性(即构象几何)整体或部分地呈现出金属材料或半导体材料行为。 呈现出半导体材料行为的碳纳米管通常使用多种化学方法进行掺杂。换句话说,使用不同的化学品以在碳纳米管中形成p型(空穴多数载流子)区域和n型(电子多数载流子)区域。这导致产生P-N结,当施加适当电压时,所述P-N结发出光线(在发光二极管("LED")的情况下)。然而,对碳纳米管进行掺杂的化学方法受到p型区域和n型区域通常不精确定性从而导致纳米级电子器件性能特扭减弱的问题的困扰。 因此,所需要的是一种用于形成静电掺杂碳纳米管的方法和相关联的结构,所述静电掺杂碳纳米管具有精确定性的p型区域和n型区城且允许形成具有增强的性能特征的纳米级电子器件如光电二极管、光电探测器、光生伏打器件、传感器和功率器件。 发明内容本发明的实施例提供了一种包括碳纳米管的静电掺杂碳纳米管器件,所述碳纳米管被设置在基底(substrate)上以使得至少一部分 所述碳纳米管是独立的。 本发明的实施例提供了一种包括静电掺杂碳纳米管器件的光生伏 达器件。 本发明的实施例提供了一种用于形成独立式静电掺杂碳纳米管器 件的方法。所述方法包括在基底上设置碳纳米管。所述碳纳米管具有 第一端、第二端和其间的独立部分。 从结合附图提供的对本发明的优选实施例的下列详细描述中将更 易于理解这些和其它优点和特征。 附图说明图1是根据本发明的实施例构造的静电掺杂碳纳米管器件的剖面 图; 图2是表示图1中所示的静电掺杂碳纳米管器件的电路图; 图3-图7是示出了根据本发明的实施例的一种用于形成静电掺杂 碳纳米管器件的方法的剖面图; 图8是根据本发明的实施例构造的独立式静电掺杂碳纳米管器件 的剖面图; 图9是表示图8中所示的独立式静电掺杂碳纳米管器件的电路图; 图IO是示出了图8中所示的独立式静电掺杂碳纳米管器件的光生 伏达结果的曲线图; 图11-图16是示出了根据本发明的实施例的一种用于形成独立式 静电掺杂碳纳米管器件的方法的剖面图;和 图17-图21是示出了根据本发明的实施例的一种用于形成独立式 静电掺杂碳纳米管器件的方法的剖面图。 具体实施方式本发明的所述实施例提供了'一种用于形成静电掺杂碳纳米管的方 法和相关联的结构,所述静电掺杂碳纳米管具有精确定性的p型区域 和n型区域且允许形成具有增强的性能特征的纳米级电子器件如光生 伏达二极管、功率器件、光电二极管、光电探测器、发光二极管 ("LEDs")和类似器件。静电掺杂碳纳米管器件的一种具体形式是独立式静电掺杂碳纳米管器件。更具体而言,本发明的实施例提供了使用与多个偏压电极去耦分离的多个掺杂电极的功能。因此,可通过改变多个偏压电极中的每个电极的偏压而精确调节对碳纳米管的掺 杂。有利地,所述方法和相关联的结构能够提供具有P-N结、P-I-P结、P-1-N结、N-1-P结、N-1-N结、P-N-P结或N-P-N结的碳纳米管。 参见图1,图中示出静电掺杂碳纳米管器件10包括具有第一端14和第二端16的碳纳米管12。碳纳米管12可以是单壁碳纳米管("SWCNT")或多壁碳纳米管("MWCNT,,)。碳纳米管12具有约0. 1微米与约IO微米之间的长度和约0. 4nm与约20nm之间的直径,然而可使用其它适当尺寸。通常,碳纳米管可根据其手性(即构象几何)用作金属材料或半导体材料。本发明的碳纳米管12优选用作半导体材料。碳纳米管12的第一端14被设置在第一金属触点18附近且直接与第一金属触点18电接触。同样地,碳纳米管12的第二端16被设置在第二金属触点20附近且直接与第二金属触点20电接触。第一金属触点18和第二金属触点20分别由Ti、 Mo、 Au、 Cr或相似物制成,且分别具有约0. 1微米乘约10微米与约1微米乘约10微米之间的面积或尺寸。通常,可使用提供了与碳纳米管12的第一端14和碳纳米管12的第二端16形成足够电接触的任何尺寸。第一金属触点18和第二金属触点20可分别被设置在碳纳米管12的第一端14和碳纳米管12的第二端16的上面或下面。 笫一金属触点18和第二金属触点20被设置在介电材料22的表面上。介电材料22包括Si02、 Si3N4、 A1203 、 Zr02或类似物。第一金属电极24和第二金属电极26被设置在介电材料22内,分别与第一金属触点18和第二金属触点20接近且相隔一定距离。由于这种隔离,因此第一金属电极24被电容性地耦接至碳纳米管12的第一端14且第二金属电极26被电容性地耦接至碳纳米管12的第二端16。第一金属电极24与碳纳米管12的第一端14之间的距离和第二金属电极26与碳纳米管12的第二端16之间的距离优选分别在约2nm与约100nm之间。笫一金属电极24和第二金属电极26分別由Mo、 Ti、 Pt、 Au、Cr或类似物制成,且分别具有约0. 1微米乘约10微米与约1微米乘约10微米之间的面积或尺寸。有利地,可选择第一金属电极24和第二金属电极26的面积或尺寸以实现第一金属电极24与第二金属电极26之间的所需间隔。该间隔的重要性在下面进行详细描述。第一金属 电极24优选与第二金属电极隔开约100nm与约l微米之间的距离。 介电材料22被设置在半导体材料28如Si、 SiC或类似物的表面 上。另一种可选方式是,介电材料22被设置在金属层28如Al、 Cr、 Mo、 Ti、 Pt或类似物的表面上。如上所述,碳纳米管l2具有第一端 14和第二端16。因此,中心部分30被设置在碳纳米管12的第一端14 与碳纳米管12的第二端16之间。在本发明的一个实施例中, 一部分 半导体材料28被设置在接近碳纳米管12的中心部分30且与其相隔 一定距离的位置处,且介电材料22、 一部分第一金属电极24和一部 分第二金属电极26被设置在半导体材料28与碳纳米管12的中心部 分30之间。在本发明的另一个可选实施例中, 一部分半导体材料28 被设置在接近碳纳米管12的中心部分30且与其相隔一定距离的位置 处,且仅介电材料"被设置在半导体材料28与碳纳米管12的中心 部分30之间。再一次地,该差别涉及笫一金属电极24与笫二金属电 极26之间的间隔且在下面对其重要性进行详细描述。 参见图2,用于形成静电掺杂碳纳米管器件10的结构(图1)由 电路图表示。第一金属触点("Ml" ) 18被电耦接至碳纳米管12的 第一端14且第二金属触点("M2" ) 20被电耦接至碳纳米管12的第 二端16。相似地,第一金属电极("VC1" ) 24被电容性地耦接至碳 纳米管12的第一端14且第二金属电极("VC2" ) 26被电容性地耦 接至碳纳米管12的第二端16。在这方面,VC1 24和VC2 26分别形成 第一栅和第二栅。在上述本发明的另一个可选实施例中,通过仅使介 电材料22 (图1)设置在半导体材料28与碳纳米管12的中心部分30 之间,半导体材料("SI" ) 28被电容性地耦接至碳纳米管12的中 心部分30且形成第三栅,要不然所述第三栅不存在。 在工作中,第一偏压被施加到VC1 24上,导致对碳纳米管12的 第一端14进行静电掺杂。同样地,第二偏压被施加到VC2 26上,导 致对碳纳米管12的第二端16进行静电摻杂。根据施加的偏压,碳纳 米管12的第一端14和碳纳米管12的第二端16可分别^f皮制成p型半 导体(空穴多数载流子)或n型半导体(电子多数载流子)。如果碳 纳米管12的第一端14被制成p型半导体且碳纳米管12的第二端16 被制成n型半导体或情况相反,那么结果是形成P-N结。P-N结可用以形成发光二极管("LED"),正如本领域的技术人员众所周知地。对于VC1 24和VC2 26而言,用于形成静电掺杂碳纳米管器件10的结构的优选电压范围在约十/-IV与约+/-3(^之间。 在上述本发明的另一个可选实施例中,通过仅使介电材料22设置在SI 28和碳纳米管12的中心部分30之间,SI 28被用以调节对碳纳米管l2的中心部分30进行的掺杂。因此,碳纳米管12的中心部分30可被制成p型半导体、I型(本征)半导体或n型半导体。这导致存在如下表1中总结出的多种可能的构造,和对于本领域的技术人员众所周知的多种可能的器件。 QQ群二维码
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