專利名稱：光強度調節的場效應晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明屬于光強度調節的場效應晶體管，特別涉及一種具有光強度調節的氮化碳/碳納米管場效應晶體管，以及該氮化碳/碳納米管場效應晶體管的制備方法。
背景技術：
納米電子器件的研究如今已成為納米科學與技術領域里一個重要的研究方向。碳納米管或納米線由于其獨特的電學性能，已經成為構筑納米電子器件的首要組成部分，引起科學家廣泛關注。目前利用單壁納米碳管和納米線已經制備了不同的電子元器件，如納米二極管，場效應晶體管以及由納米二極管或晶體管組成的邏輯電路等(M.Ouyang，J.L.Huang，C.L.Cheung，C.M.Lieber，Science 291，97(2001)；S.J.Tans，A.R.Verschueren，C.Dekker，Nature393，49(1998)；Y.Huang，X.F.Duan，Y.Cui，L.J.Lauhon，K.H.Kim，C.M.Lieber，Science 294，1313(2001))。在納米電子器件中，帶有不同結的納米單元是極其重要的，是整個納米電路的關鍵組成部分，因此具有T形和Y形的多壁碳管已被制備和研究(C.Papadopoulos，A.Rkitin，J.Li，A.S.Vedeneev，J.M.Xu，Phys.Rev.Lett.2000，85，3476；A.Perez-Garrido，A.Urbina，Carbon 2002，40，1227)。但對于這些納米結的研究大多只集中在它們的電學性質上，而對它們的光學性能研究很少。
發明內容
本發明的目的之一是利用一種氮化碳/碳納米管作為半導體材料，制備出一種具有光強度調節的場效應晶體管。與傳統的電子器件不同，電流的形成不是靠電場或磁場，而是靠光場，且電流的大小可由光的強度來調控。
本發明的再一目的是提供一種光強度調節的場效應晶體管的制備方法。
本發明的還一目的是提供一種氮化碳/碳納米管場效應晶體管的制備方法。
本發明的光強度調節的場效應晶體管是一種由光強度來調節光電流大小的氮化碳/碳納米管場效應晶體管。所述的場效應晶體管是以高摻雜硅為基材，首先在一面鍍有金電極的高摻雜硅的另一面熱氧化一層二氧化硅，厚度為400～1000納米，金電極作為場效應晶體管的柵極，二氧化硅層作為場效應晶體管的絕緣層，再在二氧化硅表面用光刻技術制備Ti/Au陣列電極對，Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連。單根氮化碳/碳納米管為場效應晶體管的半導體材料。所制備的場效應晶體管帶有源、漏電極和柵極，用于性能測試。
所述的Ti/Au電極為陣列電極對(或稱電極對陣列)；其電極寬度為0.5～1.5微米，電極對之間距離為5～10微米；所述氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長度為2～5微米；在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連，Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。該場效應晶體管的電流大小可由光的強度來調控，這種納米器件具有典型的場效應性能。該場效應晶體管在可見光區有一個很寬范圍的光電流響應，其中對720納米處波長的光最敏感。在5毫瓦/平方厘米強度的白光照射下，其開關比最高可達104。所有的測試都是在空氣中進行的。
本發明的光強度調節的場效應晶體管是按如下步驟進行制備的(1)在高摻雜硅基材表面熱氧化一層二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技術制備Ti/Au陣列電極對，高摻雜硅基材反面的金電極為場效應晶體管的柵電極；(2)將氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(體積比1∶1)，將含氮化碳/碳納米管的懸浮液滴在步驟(1)帶電極對的二氧化硅/高摻雜硅/金基底表面；(3)待溶劑揮發完全后，將步驟(2)得到的產品放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系統的真空室內，用2～6皮安的聚焦粒子束電流觀察到基片上的氮化碳/碳納米管，氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長度為2～5微米，再在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連；Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，金電極為場效應晶體管的柵電極，用于性能的檢測；(4)性能的檢測，測試儀器為探針臺(Wentworht，MP1008)，600型伏安分析器(CH instrument，USA)，功率和能量計(372型，Scienteck)，濾波器(Toshiba IRA-25s，Japan)。利用上述儀器測器件的光電性能。
在上述氮化碳/碳納米管場效應晶體管的制備方法中，Ti/Au陣列電極對，其電極寬度為0.5～1.5微米，對電極間距離為5～10微米。
在上述的氮化碳/碳納米管場效應晶體管的制備方法中，其所述氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長度為2～5微米；Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
所述的氮化碳/碳納米管的制備方法參見(劉云圻，胡平安，肖愷，王賢保，付磊，朱道本，申請號02160815.6)；所述的高摻雜硅是p型高摻雜硅，購于北京有色金屬研究總院。
本發明人利用單根的碳化氮/碳納米管，制備了一種具有種光強度調節的場效應晶體管。與傳統的場效應晶體管不同，電流的形成不是靠電場或磁場，而是靠光場，且電流的大小可由光的強度來調控。
本發明的光強度調節的場效應晶體管具有以下特征和優點1.本發明制備的氮化碳/碳納米管，在可見光區有一個很寬范圍的光電流響應，其中對720納米處波長的光最敏感。
2.本發明制備的氮化碳/碳納米管場效應晶體管具有優異的場效應特性。光電流的大小可由光的強度來調節。具有很高的開關比，在5毫瓦/平方厘米強度的白光照射下，其開關比最高可達104。
3.在白光照射下的碳管的電流電壓曲線是非線形的，這是由于碳管中摻雜了氮元素而形成的肖特基結所致。
4.本發明制備納米器件的電極利用了聚離子束光刻技術，可以直接觀察到基底上沉積的單根氮化碳/碳納米管，并能在氮化碳/碳納米管的兩端原位制備電極。工藝簡單，而且接觸電阻小。
圖1本發明實施例1一束碳化氮/碳納米管(插圖為單根碳化氮/碳納米管)的透射電子顯微鏡照片。
圖2本發明實施例1光強度調節的氮化碳/碳納米管場效應晶體管的結構示意圖。
圖3本發明實施例1氮化碳/碳納米管場效應晶體管在可見光區產生的光電流。
圖4本發明實施例1在5毫瓦/平方厘米強度的白光下(開或關)，開關性能。
圖5本發明實施例1氮化碳/碳納米管場效應晶體管的暗電流和光電流(26毫瓦/平方厘米，白光)。
圖6本發明實施例1不同強度的白光照射下其光電流和電壓的輸出曲線。
附圖標記1.鉑 2.氮化碳/碳納米管 3.鈦4.二氧化硅 5.高摻雜硅 6.金具體實施方式
下面結合附圖和實施實例對本發明進行詳細說明。但本發明并不限于此例。
實施例11.器件制備在p型高摻雜硅基材(北京有色金屬研究總院產品)表面熱氧化一層二氧化硅(SiO2，500納米)，再在二氧化硅表面用光刻技術制備Ti/Au陣列電極對，電極寬度為1微米，對電極間距離為6微米。然后把制備好的氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里(體積比1∶1)，氮化碳/碳納米管的制備方法參見(劉云圻，胡平安，肖愷，王賢保，付磊，朱道本，申請號02160815.6)，將一滴含碳管的懸浮液滴在帶電極對的二氧化硅/高摻雜硅/金基底上。待溶劑揮發完全后，放入IDS P2X聚焦粒子束(FIB)系統的真空室內，用4皮安的聚焦粒子束電流觀察到基片上的氮化碳/碳納米管(直徑為45納米，長度為3微米，最后在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連。Pt電極引線的寬度為2微米。Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，高摻雜硅基材反面的金電極為場效應晶體管的柵電極，用于性能的檢測。器件結構示意圖如圖2所示。
2.器件性能利用探針臺和600型伏安分析器測量了場效應晶體管的光電流。利用功率和能量計測量了光強度。紅外光用濾波器過濾過，防止在照射過程中電極被加熱。氮化碳/碳納米管場效應晶體管在可見光區有一個很寬范圍的光電流響應，其中對720納米處波長的光最敏感(圖3)。器件的開關性能如圖4所示，器件具有很高的開關比，在5毫瓦/平方厘米強度的白光照射下，其開關比最高可達104。圖5為氮化碳/碳納米管場效應晶體管的暗電流和光電流(26毫瓦/平方厘米，白光)與電壓的關系，在白光照射下的氮化碳/碳納米管的電流電壓曲線是非線的，這是由于氮化碳/碳納米管中摻雜了氮元素而形成的肖特基結所致。不同強度的白光照射下其光電流和電壓的輸出曲線如圖6所示，電流的大小可由光的強度來調節。對于傳統的場效應晶體管，電流的調控是靠電場或磁場，而本發明的場效應晶體管，其電流是靠光場來調控的。它實際上是一個光場效應晶體管。
實施例2按實施例1的器件制備方法，唯一不同的是氮化碳/碳納米管的直徑為55納米，長度為4微米，所得器件性能同實施例1。
實施例3按實施例1的器件制備方法，唯一不同的是對電極間的距離為8微米，所得器件性能同實施例1。
權利要求
1.一種光強度調節的場效應晶體管，其特征是所述的場效應晶體管是一種由光強度來調節光電流大小的氮化碳/碳納米管場效應晶體管。
2.根據權利要求1所述的場效應晶體管，其特征是所述的場效應晶體管是以高摻雜硅為基材，在高摻雜硅的一面熱氧化一層二氧化硅，在二氧化硅表面制備Ti/Au陣列電極對，Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積有Pt電極引線與Ti/Au電極相連，單根氮化碳/碳納米管為場效應晶體管的半導體材料；高摻雜硅基材反面的金電極為場效應晶體管的柵電極。
3.根據權利要求2所述的場效應晶體管，其特征是所述的Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
4.根據權利要求2所述的場效應晶體管，其特征是所述的Ti/Au電極對寬度為0.5～1.5微米，電極對之間距離為5～10微米。
5.根據權利要求1或2所述的場效應晶體管，其特征是所述的氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長度為2～5微米。
6.根據權利要求1或2所述的場效應晶體管，其特征是所述的場效應晶體管在5毫瓦/平方厘米強度的白光照射下，其開關比達104。
7.一種根據權利要求1～6任一項所述的光強度調節的場效應晶體管的制備方法，其特征是，所述的方法按如下步驟進行(1)在高摻雜硅基材表面熱氧化一層二氧化硅，再在二氧化硅表面用光刻技術制備Ti/Au陣列電極對，高摻雜硅基材反面的金電極為場效應晶體管的柵電極；(2)將氮化碳/碳納米管分散在四氯化碳和二氯苯溶液里，將含氮化碳/碳納米管的懸浮液滴在步驟(1)帶電極對的二氧化硅基底表面；(3)待溶劑揮發完全后，將步驟(2)得到的產品放入IDS P2X聚焦粒子束系統的真空室內，再在單根氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連，Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，金電極為場效應晶體管的柵電極。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征是所述的Ti/Au陣列電極對，其電極寬度為0.5～1.5微米，電極對之間距離為5～10微米。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征是所述的氮化碳/碳納米管直徑為40～60納米，長度為2～5微米；Pt電極引線的寬度在300納米～2微米之間。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征是所述的四氯化碳和二氯苯溶液的體積比是1∶1。
全文摘要
本發明涉及一種具有光強度調節的氮化碳/碳納米管場效應晶體管及其制備方法。與傳統的場效應晶體管不同，電流的形成不是靠電場或磁場，而是靠光場，且電流的大小可由光的強度來調控。所述的場效應晶體管是以高摻雜硅為基材，在熱氧化的二氧化硅表面用光刻技術制備Ti/Au陣列電極對，將含氮化碳/碳納米管的四氯化碳和二氯苯溶液滴在帶電極對的二氧化硅表面，在氮化碳/碳納米管的兩端原位沉積Pt電極引線與Ti/Au電極相連。單根氮化碳/碳納米管為場效應晶體管的半導體材料。Ti/Au電極對分別作為場效應晶體管的源、漏電極，高摻雜硅基材反面的金電極為場效應晶體管的柵電極。該場效應晶體管的源漏電流可由光的強度來調控。
文檔編號H01L31/0224GK1797790SQ20041010183
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月27日 優先權日2004年12月27日
發明者劉云圻, 肖愷, 孫艷明, 胡平安, 翟錦, 于貴, 胡文平, 江雷, 朱道本 申請人:中國科學院化學研究所