CN1334234A - 水平生长碳纳米管的方法和使用碳纳米管的场效应晶体管 - Google Patents

水平生长碳纳米管的方法和使用碳纳米管的场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

揭示了一种水平生长碳纳米管的方法,其中可以在形成有触媒的基底上的特定位置在水平方向选择性地生长碳纳米管,该方法可用于制造纳米器件。该方法包括以下步骤:(a)在第一基底上形成预定触媒图形;(b)在第一基底上形成垂直生长防止层,该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长;(c)通过垂直生长防止层和第一基底形成多个小孔,以通过小孔露出触媒图形;(d)在触媒图形的暴露表面上合成碳纳米管以便在水平方向生长碳纳米管。

Description

水平生长碳纳米管的方法和使用 碳纳米管的场效应晶体管
发明领域
本发明涉及生长碳纳米管(carbon nanotube)的方法，具体涉及一种水平生长碳纳米管的方法，其中可以在形成有触媒的基底上的特定位置处沿水平方向选择性地生长碳纳米管，使得该方法可以用于制造纳米器件。
而且，本发明涉及一种水平生长碳纳米管的方法，其中在希望的特定位置形成纳米点或纳米线的形状的触媒，使得在特定位置选择性地生长碳纳米管，从而可以将该方法有效地用于制造纳米器件。
此外，本发明涉及一种场效应晶体管，其中在水平方向生长碳纳米管以形成获得场效应晶体管(FET)的碳纳米管桥，并且在希望的方向磁化与其间形成碳纳米管桥的源极和漏极接触的触媒，以便同时获得自旋阀(spin valve)和单电子晶体管(SET)。
背景技术
碳纳米管具有一维量子线的结构并且具有良好的机械和化学特性。而且，已经知道碳纳米管表现出非常有趣的电特性，例如量子迁移现象。此外，除上述特性外由于最近已经发现了其它的特殊性质，碳纳米管作为一种新材料已受到很多关注。
为了利用这种材料的优良特性，必须先提出可重新执行(re-executable)的碳纳米管制造工艺。但是，在现有工艺中，制造完碳纳米管后，要把它们一个接一个地放置到希望的位置。因此，对于以“单独处理模式”将生长的碳纳米管放置到希望位置的现有工艺，很难将其应用到电子元件或高度集成元件，并且现在进行了很多研究和开发，以便克服这个问题。
此外，在作为一种合成碳纳米管的现有方法的垂直生长方法中，在形成有触媒图形4的基底2上以整齐布置的麦田的形状在垂直方向生长碳纳米管6。对于垂直生长方法，已经存在大量报道。
但是，为了把碳纳米管作为一种具有新功能的纳米器件使用，从应用方面考虑，相对于垂直生长技术，一种能够在特定位置在水平方向选择性地生长碳纳米管的技术更为有用并且更为人们所需要。
图2中显示了Hong Jie Die所作的第一份报道(见Nature，vol.395，page 878)，其中表示了可以在待相互连接的构图金属之间水平地生长碳纳米管。图2是用于示意性显示Hong Jie Die报道的水平生长碳纳米管的方法的图。但是，图2明显地显示了不仅在水平方向而且在垂直方向生长了大量碳纳米管。这是因为碳纳米管是从触媒金属的表面生长的，并且是在触媒的所有暴露表面上随机地生长的。
而且，由于在1988年在包括磁金属和非磁金属的多层膜中发现了巨磁阻(GMR)效应，在世界上广泛开展了关于磁金属薄膜的研究。而且，由于电子以自旋极化状态存在于磁金属中，可以通过利用这一特性产生极化自旋电流。因此，通过利用作为电子的一个重要固有特性的自旋自由程度，已经投入了大量努力来理解和开发自旋电子器件(spintronics)或磁电子器件。
近来，在纳米结构的磁性多层膜系统中发现的诸如隧穿磁阻(TMR)和巨磁阻(GMR)之类的现象已经被应用到磁阻(MR)磁头元件中并投入待商业化的计算机的硬盘驱动器(HDD)中。
在此情况下，TMR意味着一种现象，其中隧穿电流根据一个具有铁磁体/电介质(半导体)/铁磁体结构的结中的铁磁体材料的相对磁化方向而改变，并且具有比其它磁阻更大的磁阻比率和更大的场灵敏度，使得人们积极地开展研究，以在下一代磁随机存取存储器(MRAM)或磁阻头的材料中利用这种现象。但是，电介质层的形成的再现性和结阻抗的减小成为严重的问题。
当前，磁应用领域的很多科学家正利用在低磁场中显示磁阻现象的自旋阀和磁隧穿结(MTJ)在积极地进行MRAM制造方法的研究。
发明内容
因此，本发明致力于解决上述问题，本发明的目的是提供一种水平生长碳纳米管的方法，其中可以在形成有触媒的基底上的特定位置处沿水平方向选择性地生长碳纳米管，使得该方法可以用于制造纳米器件。
本发明的另一个目的是提供一种水平生长碳纳米管的方法，其中在希望的特定位置形成纳米点或纳米线的形状的触媒，使得在特定位置选择性地生长碳纳米管，由此该方法可以有效地用于制造纳米器件。
本发明的另一个目的是提供一种场效应晶体管，其中在水平方向生长碳纳米管以形成碳纳米管桥，从而获得场效应晶体管(FET)，并且在希望的方向磁化与其间形成碳纳米管桥的源极和漏极接触的触媒，以便同时获得自旋阀和单电子晶体管(SET)。
根据一个方面，本发明提供一种水平生长碳纳米管的方法，该方法包括以下步骤：(a)在第一基底上形成预定触媒图形；(b)在第一基底上形成垂直生长防止层，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；(c)通过垂直生长防止层和第一基底形成多个小孔以通过小孔露出触媒图形；和(d)在触媒图形的暴露表面合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
在此情况下，步骤c中形成的小孔是通孔型，即小孔完全穿过垂直生长防止层和第一基底，或者是井型，即仅部分地腐蚀第一基底，使得小孔穿过垂直生长防止层和一部分第一基底。
根据另一个方面，本发明提供一种水平生长碳纳米管的方法，该方法包括以下步骤：(i)在第一基底上的预定位置形成掩模；(j)在第一基底和第一基底上形成的掩模上形成触媒图形；(k)在第一基底上形成垂直生长防止层，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；(l)从垂直生长防止层和第一基底上去除掩模，以便形成小孔并露出触媒图形；和(m)在触媒图形的暴露位置合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
根据另一个方面，本发明提供一种水平生长碳纳米管的方法，该方法包括以下步骤：在第一基底上以预定的二维布置方式形成触媒图形；制造用于防止碳纳米管垂直生长的第二基底，具有预定形式布置的孔；把用于防止碳纳米管垂直生长的第二基底以预定间隙放置在具有触媒图形的第一基底上；在触媒图形上合成碳纳米管，以便水平地生长碳纳米管。
根据另一个方面，本发明还提供一种水平生长碳纳米管的方法，该方法包括以下步骤：在一基底上形成纳米点或纳米线形状的触媒；在纳米点或纳米线形状的触媒上构图一个生长防止层，以便防止纳米点或纳米线在垂直方向生长；以及在纳米点或纳米线上在水平方向选择性地生长碳纳米管。
在此情况下，利用压印方法或自组装方法构图纳米点或纳米线形状的触媒。
此外，生长防止层可以由选自包括氮化硅(SiN)和氧化硅(SiO2)的组中的一种化合物构成的绝缘膜形成，或者可以由选自包括钯(Pd)，铌(Nb)和钼(Mo)的组中的一种金属形成。
根据另一个方面，本发明还提供一种水平生长碳纳米管的方法，该方法包括以下步骤：在基底上形成纳米线形状的触媒；利用包括光刻工艺在内的半导体工艺在纳米线形状的触媒上形成生长防止层，该生长防止层与基底间隔预定间隙；利用湿腐蚀，在不形成生长防止层的区域中除去一部分纳米线形状的触媒；以及利用化学气相淀积方法，在与基底间隔预定间隙的生长防止层下形成的触媒之间在水平方向生长碳纳米管。
此外，根据另一个方面，本发明还提供一种场效应晶体管，包括：源极，漏极，和源极和漏极之间的碳纳米管桥，碳纳米管桥由源极和漏极之间在水平方向生长的碳纳米管形成，使得场效应晶体管可以控制电子流动。
在此情况下，在源极和漏极之间形成的碳纳米管桥包括具有半导体特性的碳纳米管。
而且，在源极和漏极之间形成的碳纳米管桥上，形成多个栅极碳纳米管，与源极和漏极之间的碳纳米管桥交叉，以便产生能垒来形成量子点(quantum point)并控制电流的流动。
而且，在栅极碳纳米管桥形成栅极时，量子点具有通过使用公共端子控制的大小。
此外，场效应晶体管还包括第一和第二导线，第一和第二导线可以通过电流并被分别设置在源极和漏极上，以便在希望的方向磁化与源极和漏极接触的触媒。源极上设置的第一导线和漏极上设置的第二导线被相互平行布置。
附图说明
在结合附图阅读了以下详细说明后，可以对本发明的上述目的、和其它特征和优点有更清楚的理解，在附图中：
图1是示意性显示垂直生长碳纳米管的常规方法的图；
图2是示意性显示Hong Jie Die揭示的水平生长碳纳米管的另一个常规方法的图；
图3A到3D是显示根据本发明一个实施例水平生长碳纳米管的方法的图；
图4是由图3A到3D中显示的方法制造的对象的透视图；
图5A和图5B是剖视图，分别显示了孔型和井型结构，在孔型结构中，小孔穿过垂直生长防止层和第一基底的孔型结构，在井型结构中，保留一部分第一基底不被腐蚀，以使得每个小孔不完全穿过垂直生长防止层和第一基底；
图6A到11是用于显示根据本发明的水平生长碳纳米管的方法所水平生长的碳纳米管的各种形状的图；
图12A和12B是用于显示结构的图，其中对金属进行构图以与由根据本发明的水平生长碳纳米管的方法水平生长碳纳米管形成一个结或多个结；
图13A到13D是示意性显示根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的另一个方法的图；
图14A到14C是示意性显示根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的另一个方法的图；
图15A到15C是示意性显示由根据本发明的水平生长碳纳米管的方法在希望位置水平生长碳纳米管的过程的图；
图16A到17D是显示在水平方向选择性地生长碳纳米管的方法的图，其中将触媒金属形成为纳米线形状，并且形成触媒的位置可以由湿腐蚀控制；
图18A和18B是示意性显示在根据本发明的水平生长碳纳米管的方法中用于形成纳米点或纳米线的纳米印刻过程的图；
图19是示意性显示在根据本发明的水平生长碳纳米管的方法中用于形成纳米点或纳米线的自组装方法的图；
图20是示意性显示利用根据本发明的碳纳米管的自旋阀单电子晶体管的结构的图；
图21是图20所示根据本发明的自旋阀单电子晶体管的透视图；
图22是示意性显示根据本发明另一个实施例的自旋阀单电子晶体管的图；
图23到26是示意性显示由根据本发明的水平生长碳纳米管的方法形成的各种场效应晶体管的图。
具体优选实施方案
从以下结合附图的说明中可以对本发明的上述和其它目的，特性和优点有更清楚的理解。
图3A到3D是显示根据本发明一个实施例的水平生长碳纳米管的方法的图，图4是由图3A到3D中显示的方法制造的对象的透视图。
参见图3A到4，根据本发明的水平生长碳纳米管的方法包括以下步骤：(a)在第一基底10上形成预定触媒图形12；(b)在第一基底10上形成垂直生长防止层14，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；(c)通过垂直生长防止层14和第一基底10形成小孔16以通过小孔16露出触媒图形12；和(d)在触媒图形12的暴露表面18上合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
根据目的的不同，第一基底10和垂直生长防止层14可以采用各种材料，例如硅，玻璃，氧化硅，涂敷有氧化铟锡(ITO)的玻璃。
对于上述触媒，可以使用能够生长碳纳米管的各种材料，包括金属，合金，超导金属，和其它特殊金属。而且，可以利用光刻，喷镀，蒸镀等工艺将这些材料形成为预定图形12。
在此情况下，可以利用激光钻孔，湿腐蚀和干腐蚀等方法形成位于触媒图形的特定位置的小孔16。同时，更详细地说，小孔16可以是孔型，即如图5A所示，小孔16穿过垂直生长防止层14和第一基底10，或者是井型，即如图5B所示，不腐蚀而保留第一基底10的一部分，使得每个小孔16不完全穿过垂直生长防止孔14和第一基底10。
然后，把通过上述工艺制备的图5A或图5B中所示的对象放置到用于合成碳纳米管的设备中，并进行合成，使得仅在暴露到源气氛的触媒图形的暴露表面18上生长各碳纳米管。即，仅在与第一基底10平行的水平方向生长碳纳米管。
在此情况下，在合成碳纳米管时可以使用以下方法，例如触媒热分解方法，等离子气相淀积方法，和热丝气相淀积方法。此外，可以使用碳氢化合物作为原材料，例如甲烷，乙炔，一氧化碳，苯和乙烯。
同时，图6A，6B和11显示由根据本发明的水平生长碳纳米管的方法水平生长的各种形状的碳纳米管。
图6A和6B显示在直线型触媒图形12上生长的碳纳米管20，其中在触媒图形的预定部分形成小孔。在此情况下，通过适当地控制合成时间，能够可选地获得桥式结构的碳纳米管20，其中触媒图形相互对着的暴露表面18通过碳纳米管相互连接，或者可选地获得自由悬挂结构的碳纳米管，其中相互对着的暴露表面18相互不连接。
同时，可以通过控制暴露的触媒表面的微粒的面积或尺寸来确定所生长的碳纳米管20的直径，并且通过改变形成图形的条件或者通过后续处理(例如等离子处理和酸处理)可以使暴露的触媒表面具有各种表面状态。因此，通过上述工艺，在单个暴露表面上至少可以生长两个碳纳米管20，并且如图6B所示，在触媒图形的相互对着的暴露表面18上生长的碳纳米管20可以具有不同的结构，即不同的直径，不同的螺旋特性(chirality)等等。
图7A到7D分别显示在交叉型触媒图形上水平生长的碳纳米管，其中在触媒图形的交叉区域上形成小孔。
与直线型触媒图形相同，在该交叉型触媒图形中也可以获得如图7A中所示的桥式结构的碳纳米管20或图7C中所示的自由悬挂结构的碳纳米管20。此外，如图7C所示，在触媒图形的相互对着的暴露表面上生长的碳纳米管20可以具有彼此不同的直径，并且如图7B所示在一个暴露表面上至少可以生长两个碳纳米管20。而且，通过在触媒图形的每个暴露表面上生长多个碳纳米管，所生长的碳纳米管可以具有如图7D所示的网形。
此外，如图7A所示，通过控制垂直方向和水平方向的触媒图形的高度，可以相互交叉地生长碳纳米管20，这可以被用作一个栅极元件。此外，相互交叉生长的碳纳米管可以相互机械接触，以便形成一个可以直接在结分析中使用的电结(electric junction)，可以由元件使用这种结特性。
在此情况下，作为一种便于形成结的方法，可以利用材料的热扩张/收缩。由于碳纳米管的合成通常是在500℃至900℃之间的温度进行，可以通过利用热收缩现象(在合成之后的冷却阶段中发生)来便于交叉生长的碳纳米管20之间的接触。
图8，9，10和11分别显示在放射状触媒图形，圆形触媒图形，矩形触媒图形中水平生长的碳纳米管，和具有在至少两个直线型的触媒图形上布置的至少两个槽的结构，其中小孔分别在图形的交叉区域，圆的内部，和矩形的内部形成。
图6A到11显示根据本发明的水平生长的碳纳米管的各种形状，其并不限制本发明的范围，可以以更有效的方式修改触媒图形以应用于纳米器件。
同时，图12A和12B显示的结构中，对金属30构图与根据本发明的水平生长碳纳米管的方法水平生长的碳纳米管20形成一个结或多个结。因此，可以容易地获得碳纳米管20和金属30之间的结，并且可以可选地在特定位置形成这种结。
此外，通过利用上述方法，可以可选地在希望的位置形成碳纳米管/碳纳米管结，碳纳米管/金属结，和碳纳米管/半导体结。
同时，图13A到13D是示意性显示根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的另一个方法的图。
参见图13A到13D，根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的方法包括以下步骤：(i)在第一基底10上的预定位置形成掩模40；(j)在第一基底10和第一基底10上形成的掩模40上形成触媒图形12；(k)在第一基底10上形成垂直生长防止层14，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；(l)从垂直生长防止层14和第一基底10上除去掩模40，以便形成小孔42并露出触媒图形12；以及(m)在触媒图形的暴露位置上合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
在该实施例中，第一基底10和触媒图形12的材料，形成触媒图形的方法，和合成碳纳米管的方法与第一实施例中相同。此外，利用诸如蒸镀的方法在基底上形成掩模40，该掩模40可以通过腐蚀，加热等方法容易地去除。此外，可以将触媒图形形成为各种形状，包括直线形，交叉形，放射形，圆形，和矩形。本实施例也可以获得图6A到11所示的在水平方向生长的碳纳米管。
图14A到14C是示意性显示根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的另一个方法的图。
参见图14A到14C，根据本发明另一个实施例的水平生长碳纳米管的方法包括以下步骤：在第一基底10上以预定的二维布置方式形成触媒图形12；制造用于防止碳纳米管垂直生长的隔离基底50，具有预定方式布置的孔52；把垂直生长防止基底50以预定间隙54放置在具有触媒图形12的第一基底10上；以及在触媒图形12处合成碳纳米管以便水平地生长碳纳米管。
在此情况下，本实施例中第一基底10和触媒图形12的种类，形成触媒图形的方法，和合成碳纳米管的方法与第一实施例相同。此外，可以通过激光钻孔，湿腐蚀和干腐蚀等方法形成用于防止碳纳米管垂直生长的第二基底50的孔52。在把垂直生长防止基底50放置到第一基底10上方的步骤中，一个可以生长碳纳米管的间隔对于两个基底10和50之间的预定间隙54是适合的。并且可以在第一和第二基底10和50的角部之间设置间隔柱56，以便保持其间的间隙。
同时，图15A到15C是显示在根据本发明的水平生长碳纳米管的方法中，利用具有纳米点或纳米线形状的触媒，在希望的位置水平生长碳纳米管的过程的示意图。
首先，参见图15A，在形成有氧化膜的硅基底上淀积以纳米点或纳米线形状构图的触媒金属。在此情况下，通常使用与上述触媒图形12相同的材料作为触媒金属。
此外，如图15B所示，在纳米点或纳米线上淀积诸如钯(Pd)，铌(Nb)，钼(Mo)等材料或者氮化硅(SiN)膜或氧化硅(SiO2)膜等绝缘层来形成生长防止层。该层用于防止碳纳米管从触媒沿垂直方向生长，并且进一步用作电极(在金属的情况下)。在此情况下，利用光致抗蚀工艺(PR工艺)和光刻工艺之类的通用半导体工艺可以以希望的形状构图生长防止层。
因此，如图15C所示，在形成有生长防止层图形的基底上，可以利用化学气相淀积方法从触媒沿水平方向生长碳纳米管。
图16A到17D是显示在水平方向选择性生长碳纳米管的方法的图，其中将触媒金属形成为纳米线的形状，并且可以通过湿腐蚀控制触媒的形成位置。
首先，如图16A和17A所示，在形成有氧化膜的硅基底上淀积构图为纳米线形状的触媒金属。在此情况下，通常使用与上述触媒图形12相同的材料作为触媒金属。
此外，如图16B和17B所示，淀积诸如钯(Pd)，铌(Nb)，钼(Mo)等材料或者氮化硅(SiN)膜或氧化硅(SiO2)膜等绝缘层，在触媒上形成纳米点或纳米线的形状的生长防止层，防止层与触媒之间有预定间隙。该层用于防止碳纳米管从触媒沿垂直方向生长，并进一步用作电极(在金属的情况下)。
可以利用光致抗蚀工艺和光刻工艺之类的通用半导体工艺以希望的形状构图生长防止层。在此情况下，图17B显示了该情况，其中在形成图形的过程中发生了错误，即在生长防止层的构图过程中在不希望的区域露出了触媒。
而且，如图16C和17C所示，利用湿腐蚀去除了在不形成生长防止层的区域中的具有纳米线形状的触媒(即在不希望区域中的触媒)。在此情况下，在进行湿腐蚀的情况下，由于进行各向同性腐蚀，触媒金属被进一步向生长防止层内部腐蚀(见图16C)，使得生长防止层的功能(即防止碳纳米管在垂直方向生长)变得更加重要。
此外，与以纳米点形状形成触媒的情况不同，在以纳米线形状形成触媒的情况下，甚至在已经进行了过度腐蚀时，用于生长碳纳米管的触媒仍保留在基底上，以便形成更有效的生长防止层。此外，如图17B和17C所示，甚至当在光刻工艺中错误地形成了生长防止层的图形时，也可以利用湿腐蚀处理光刻工艺中产生的错误。
因此，利用化学气相淀积方法，可以在以预定间隙在生长防止层下形成的触媒之间水平地生长碳纳米管。
同时，在图15A到17D所示的实施例中，可以使用以下的公知方法作为在基底上形成纳米点或纳米线形状的触媒图形的方法。
一种方法是利用如图18A和18B所示的纳米印刻过程。图18A和18B是示意性显示根据本发明的水平生长碳纳米管的方法中用于形成纳米点或纳米线的纳米印刻法过程的图。
纳米印刻法是一种压印工艺，其中把具有纳米图形的模具压到高分子薄膜上，以形成纳米尺寸的高分子图形，其可以应用于大面积晶片，如图18A和18B所示。纳米印刻法是用于简单地制造具有几十纳米尺寸的图形的工艺，与利用现有的精细光学处理技术的大面积纳米图形的形成工艺相比，已大为简化。
此外，可以利用图19所示的自组装方法形成纳米点或纳米线的触媒图形，图19是示意性显示根据本发明的水平生长碳纳米管的方法中用于形成纳米点或纳米线的自组装方法的图。
在上述自组装方法中，由金Au或硅Si之类的金属构成的基底上表面被涂敷了特定的材料，这种材料能够被吸收到表面上作为表面活性首基，大部分是单分子层中吸收的有机分子，然后再涂敷一种烃基中的材料，能实现与待涂敷在其上的材料的连接。然后，在其上涂敷具有膜的特性的表面基(surface group)材料，使得可以制造具有从单个层到多个层各种层的超精细薄膜。
即，施加能被基底吸收的特定材料，并且施加用于与待淀积的薄膜材料桥接的材料，然后淀积薄膜的希望材料。在把能进行化学吸收的特定材料淀积在表面上后，利用扫描隧道显微镜/原子力显微镜(STM/AFM)对其构图，从而可以获得具有希望图形的超精细薄膜。
同时，图20是示意性显示利用根据本发明的碳纳米管的自旋阀单电子晶体管的结构的图，图21是图20所示根据本发明的自旋阀单电子晶体管的透视图。通过利用由上述水平生长碳纳米管的方法在基底水平方向生长的碳纳米管可以获得如下的自旋阀单电子晶体管。
参见图20和21，在根据本发明的自旋阀单电子晶体管中，在源极210和漏极220之间在水平方向生长碳纳米管以形成碳纳米管桥260，碳纳米管桥260使得可以控制电流的单位电子流动。在此情况下，源极210和漏极220之间形成的碳纳米管桥260由具有半导体特性的碳纳米管组成。
此外，源极210和漏极220之间形成的碳纳米管桥260在多个栅极碳纳米管270和280上形成，栅极碳纳米管270和280被形成为产生一个能垒来形成量子点，并控制电流的流动。
此外，在源极210和漏极220上提供能流过电流的导线251和252，以便在希望的方向磁化与源极210和漏极220接触的触媒。此外，设置在源极210上的源极导线251和设置在漏极220上的漏极导线252被相互平行布置。
同时，图22是示意性显示根据本发明另一个实施例的自旋阀单电子晶体管的图。
参见图22，当多个栅极碳纳米管桥470和480形成栅极430和440时，通过使用公共端子490控制量子点的大小。本实施例中的其它元件与参考图20和21所述的元件相同。
此后，将对利用根据本发明的碳纳米管的具有上述结构的自旋阀单电子晶体管的操作进行说明。
参见图20和21，在源极210和漏极220之间形成的具有半导体特性的碳纳米管桥260中，把正电压施加到分别被定义为第一和第二栅极230和240的碳纳米管桥270和280。因此，在点C1和C2的电荷可能不充足，导致在点C1和C2形成能垒。在此情况下，在源极210和漏极220之间形成碳纳米管桥260的情况下，点C1和C2之间的部分与形成量子点的周围部分隔离。
此外，由于源极210和漏极220的电极通过过渡金属触媒(transition metal catalyst)与碳纳米管桥260接触，考虑适当的矫顽力，通过发送被定义为Im1和Im2的电流，可以在希望的方向磁化与源极210和漏极220接触的触媒。
利用上述方法，可以控制注入源极210的电子的自旋。在此情况下，当源极210和点C1之间以及点C2和漏极220之间的碳纳米管桥260部分是弹道导体(ballistic conductor)时，可以保持所注入电子的自旋。
因此，在电子通过隧穿(tunneling)到点C1和C2之间形成的量子点而进行访问的情况下，根据源极210和漏极220的磁化方向，当自旋方向相同时很容易产生隧穿，而当自旋方向互不相同时不容易产生隧穿。
如上所述，通过控制通过沟道的碳纳米管桥260发送的电流，可以获得与自旋有关的单电子晶体管。
同时，图23到26是示意性显示由根据本发明的水平生长碳纳米管的方法形成的各种场效应晶体管的图，下面将对场效应晶体管的各种结构进行说明。
图23显示一场效应晶体管，其中在碳纳米管的两侧都设置了栅极。在该示例中，可以使用铌(Nb)，钼(Mo)之类的金属作为生长防止膜的电极或电极层。此外，用作触媒的触媒层被设置在源极和漏极的电极层的下面。在此情况下，可以使用与上述触媒图形12相同的材料作为触媒，并且通常使用镍(Ni)，铁(Fe)和钴(Co)之类的材料。
在此情况下，栅电极被设置在源极和漏极的两侧。而且，利用热化学气相淀积方法(TCVD)在栅电极之间合成碳纳米管。因此，需要一个包括栅电极之间空间的几何设计，使得可以在栅电极之间合成碳纳米管。在此情况下，栅极之间的空间最好被设计为具有细长的结构，即一种长且窄的结构，以使得在产生足够的栅极电场的同时控制碳纳米管的生长。
图24显示一场效应晶体管，其中栅极结构位于底部。在此示例中，由于触媒层的高度比栅极的高度大，在触媒层下设置一缓冲层，以便利于高度调整和与晶片的绝缘层的粘附。
此外，由于碳纳米管具有良好弹性，可以利用电场使碳纳米管弯曲。在此情况下，弯曲程度根据碳纳米管的种类和长度改变。尽管最大弯曲程度可以是几十纳米，但通常预期碳纳米管弯曲几个纳米。因此，图23中所述结构被如下方式设计，使得栅极之间的距离比用于生长碳纳米管的触媒的宽度大几十纳米。在图24所述的地栅极的情况下，根据需要可以将一个薄电介质层淀积在栅电极上。同时，图25显示一个结构，其中把碳纳米管用作栅极。
同时，在合成碳纳米管时，碳纳米管可能垂直于电极的表面生长，并且在碳纳米管具有半导体特性时很难从希望的位置向相对的触媒层生长碳纳米管。为了解决这些问题，可以在触媒层之间设置一个用作引导碳纳米管生长的向导(guide)的路径，即一个用于碳纳米管生长的通道，碳纳米管可以在该路径或通道中生长(见图26)。
在此情况下，可以利用反应离子腐蚀(RIE)之类的干腐蚀，在氧化硅膜上非常精细地制造用于碳纳米管生长的向导。然后，在向导的两侧淀积触媒，然后在其上淀积电极。而且，在向导旁边设置栅极。此外，栅极可以如图所示位于电介质的表面上，并且栅电极可以被放置在象触媒层这样的腐蚀区域上，使得栅电极可以在与触媒层或碳纳米管的高度相同的高度施加电场。
可以通过两次光刻工艺制造图23和24中所示的结构。但是，图25和26中所示的结构需要三次光刻工艺。在此情况下，图25中所示的结构不仅可以制造为场效应晶体管(FET)，而且可以制造为隧道晶体管(tunneling transistor)。而且，在把至少两个碳纳米管设置为栅极的情况下，根据栅极偏置所制造出的可以是利用Kondo谐振的Kondo元件或单电子晶体管(SET)。在图26所示的结构中，在合成碳纳米管时防止其在不希望的方向生长，从而减小这种缺陷。
虽然已经显示和描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员应该理解，本发明不限于这些特定实施例，在不偏离本发明真实范围的情况下，可以对其元件进行各种变化，改进和替换。

Claims (35)

1.一种水平生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：
(a)在第一基底上形成预定触媒图形；
(b)在第一基底上形成垂直生长防止层，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；
(c)通过垂直生长防止层和第一基底形成多个小孔，以通过小孔露出触媒图形；以及
(d)在触媒图形的暴露表面上合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
2.根据权利要求1的方法，其中在步骤c中形成的小孔是孔型的，即小孔完全穿过垂直生长防止层和第一基底。
3.根据权利要求1的方法，其中在步骤c中形成的小孔是井型的，即第一基底被部分地腐蚀，使得小孔穿过垂直生长防止层和一部分第一基底。
4.根据权利要求1的方法，其中触媒图形具有直线形、交叉形、放射形、圆形和矩形中的一种形状，同时小孔被形成在直线形、交叉形、和放射形的触媒图形的交叉区域，在圆形图形的内部，在矩形图形的内部。
5.根据权利要求4的方法，其中分别从触媒图形和小孔形成的碳纳米管生长为在它们之间形成结。
6.根据权利要求5的方法，其中利用材料的热收缩现象在相互交叉的碳纳米管之间形成结，热收缩现象是在生长碳纳米管后的冷却阶段中产生的。
7.根据权利要求4的方法，其中分别从触媒图形和小孔形成的碳纳米管相互交叉地生长。
8.根据权利要求1的方法，其中步骤d中生长的碳纳米管形成桥式结构，由此把相互对着的触媒图形的暴露表面相互连接。
9.根据权利要求1的方法，其中步骤d中生长的碳纳米管形成自由悬挂结构，其中来自相互对着的触媒图形的暴露表面的碳纳米管相互隔离。
10.根据权利要求1的方法，其中步骤d中生长的碳纳米管是在单个触媒图形上生长的多个碳纳米管。
11.根据权利要求1的方法，其中步骤d中生长的碳纳米管形成网形结构，其中从相互对着的触媒图形的每个暴露表面生长的多个碳纳米管相互连接。
12.根据权利要求1的方法，进一步包括在步骤d之后的以下步骤：在生长的碳纳米管上构图一个金属，以便选择性地在特定位置在碳纳米管和金属之间形成一个结。
13.一种水平生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：
(i)在第一基底上的预定位置形成掩模；
(j)在第一基底和第一基底上形成的掩模上形成触媒图形；
(k)在第一基底上形成垂直生长防止层，该防止层防止碳纳米管在垂直方向生长；
(l)从垂直生长防止层和第一基底上除去掩模，以形成小孔并露出触媒图形；以及
(m)在触媒图形的暴露位置处合成碳纳米管，以便在水平方向生长碳纳米管。
14.根据权利要求13的方法，其中触媒图形具有直线形、交叉形、放射形、圆形和矩形中的一种形状，同时小孔被形成在直线形、交叉形、和放射形的触媒图形的交叉区域，在圆形图形的内部，在矩形图形的内部。
15.根据权利要求14的方法，其中分别从触媒图形和小孔形成的碳纳米管生长为在它们之间形成结。
16.根据权利要求14的方法，其中分别从触媒图形和小孔形成的碳纳米管相互交叉地生长。
17.根据权利要求13的方法，其中步骤m中生长的碳纳米管形成桥式结构，由此把相互对着的触媒图形的暴露表面相互连接。
18.根据权利要求13的方法，其中步骤m中生长的碳纳米管形成自由悬挂结构，其中来自相互对着的触媒图形的暴露表面的碳纳米管相互隔离。
19.根据权利要求13的方法，进一步包括在步骤m之后的以下步骤：在生长的碳纳米管上构图一个金属，以便选择性地在特定位置在碳纳米管和金属之间形成一个结。
20.一种水平生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：
在第一基底上以预定二维布置方式形成触媒图形；
制造用于防止碳纳米管垂直生长的第二基底，具有预定方式布置的小孔；
把用于防止碳纳米管垂直生长的第二基底以预定间隙放置在具有触媒图形的第一基底上；以及
在触媒图形上合成碳纳米管，以便水平地生长碳纳米管。
21.一种水平生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：
在基底上形成纳米点或纳米线形状的触媒；
在纳米点或纳米线形状的触媒上构图一生长防止层，以便防止纳米点或纳米线在垂直方向生长；以及
选择性地在纳米点或纳米线上在水平方向生长碳纳米管。
22.根据权利要求21的方法，其中纳米点或纳米线形状的触媒是利用压印方法构图的。
23.根据权利要求21的方法，其中纳米点或纳米线形状的触媒是利用自组装方法构图的。
24.根据权利要求21的方法，其中生长防止层由选自包括氮化硅(SiN)和氧化硅(SiO2)的组中的一种化合物构成的绝缘膜形成。
25.根据权利要求21的方法，其中生长防止层由选自包括钯(Pd)，铌(Nb)和钼(Mo)的组中的一种金属形成。
26.一种水平生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：
在基底上形成纳米线形状的触媒；
利用包括光刻工艺的半导体工艺在纳米线形状的触媒上形成生长防止层，该生长防止层与基底间隔预定间隙；
利用湿腐蚀法，在不形成生长防止层的区域中除去纳米线形状的触媒的一部分；以及
利用化学气相淀积方法，在与基底间隔预定间隙的生长防止层下形成触媒之间在水平方向生长碳纳米管。
27.根据权利要求26的方法，其中纳米线形状的触媒是利用压印方法构图的。
28.根据权利要求26的方法，其中纳米线形状的触媒是利用自组装方法构图的。
29.一种场效应晶体管，包括源极，漏极，以及源极和漏极之间的碳纳米管桥，碳纳米管桥由源极和漏极之间在水平方向生长的碳纳米管形成，使得场效应晶体管可以控制电子的流动。
30.根据权利要求29的场效应晶体管，其中源极和漏极之间形成的碳纳米管桥包括具有半导体特性的碳纳米管。
31.根据权利要求29的场效应晶体管，其中在源极和漏极之间形成的碳纳米管桥上，形成多个栅极碳纳米管，与源极和漏极之间的碳纳米管桥交叉，以便产生能垒来形成量子点并控制电流的流动。
32.根据权利要求31的场效应晶体管，其中在栅极碳纳米管桥形成栅极时，量子点具有通过使用公共端子控制的大小。
33.根据权利要求29的场效应晶体管，进一步包括第一和第二导线，第一和第二导线可以通过电流，并被分别设置在源极和漏极上，以便在希望的方向磁化与源极和漏极接触的触媒。
34.根据权利要求33的场效应晶体管，其中源极上设置的第一导线和漏极上设置的第二导线被相互平行布置。
35.根据权利要求29的场效应晶体管，其中在场效应晶体管的基底上形成一个引导槽，以允许碳纳米管在源极和漏极之间在水平方向生长，从而在源极和漏极之间在水平方向形成碳纳米管桥。
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