DE19916351C2 - Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Verfahren zum Betreiben eines solchen Transistors - Google Patents

Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Verfahren zum Betreiben eines solchen Transistors

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transistor, und insbesondere auf einen Sperrschicht-Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Transistors.
Sperrschicht-Transistoren vom Horizontaltyp und Vertikaltyp sind bereits allge­ mein bekannt. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nachfolgend ein her­ kömmlicher Sperrschicht-Transistor näher beschrieben. Die Fig. 1a zeigt eine ebene Ansicht des herkömmlichen Sperrschicht-Transistors, während Fig. 1b sei­ nen Querschnitt zeigt.
Der Sperrschicht-Transistor nach den Fig. 1a und 1b ist ein PNP-Transistor mit einer Epitaxieschicht 2 vom n-Typ, die durch einen Siliciumoxidfilm 3 isoliert ist und auf einem Substrat 1 liegt. Verunreinigungsbereiche 4 und 5 vom p-Typ be­ finden sich in festen Intervallen in der Epitaxieschicht 2 vom n-Typ, wobei der Verunreinigungsbereich 4 vom p-Typ als Kollektor des Transistors dient, während der Verunreinigungsbereich 5 vom p-Typ als Emitter des Transistors vorge­ sehen ist.
Bei dem herkömmlichen Sperrschicht-Transistor treten jedoch einige Nachteile auf.
So müssen bei der Herstellung eines NPN-Transistor dieser selbst und die Schal­ tungsintegration zur selben Zeit hergestellt werden, was zu einer nicht optimalen Geometrie des herkömmlichen Transistors im Hinblick auf die Verhinderung von Elektron-Loch-Kopplungen sowie im Hinblick auf das Einfangen von Löchern in einer Basis an Kollektoren führt.
Die vergleichsweise hohe Dotierungskonzentration im Kollektor bei dicker Verar­ mungsschicht in der Basis verschlechtert darüber hinaus das Betriebsverhalten, so daß zusätzliche Diffusionsschritte zur Vermeidung solcher Nachteile erforder­ lich sind, was den Herstellungsprozeß komplizierter gestaltet.
Bei der Herstellung von Sperrschicht-Transistoren vom Vertikaltyp lassen sich die obigen Probleme zum größten Teil vermeiden, jedoch ist dessen Herstellungs­ verfahren im Vergleich zum Verfahren zur Herstellung eines Sperrschicht-Tran­ sistors vom Horizontaltyp wesentlich komplizierter und damit teurer.
Aus der JP-7-122198 ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrentransistor bekannt, bei dem an beiden Seiten einer Kohlenstoff-Nanoröhrenelektrode, die als Gateelektrode eines Feldeffekttransistors wirkt, Source- und Drainelektroden angeordnet sind.
Aus dem Artikel von Sander et al., "Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube", Nature (London), 393 (1998), Seiten 49-51, ist ein weite­ rer Feldeffekttransistor bekannt, bei dem eine Nanoröhre als Kanalbereich eines Feldeffekttransistors über zwei voneinander beabstandete Platinelektroden ge­ legt wird, die auf einem Siliciumdioxidfilm angeordnet sind. Auf der von den Pla­ tinelektroden abgewandten Seite des Siliciumdioxidfilms ist ein Rückseitengate ausgebildet, um den von der Nanoröhre gebildeten Kanalbereich zu steuern.
Ein ähnlicher Feldeffekttransistor mit einem von einer Nanoröhre gebildeten Ka­ nalbereich ist aus dem Artikel von Martell et al., "Single- and multi-wall carbon nanotube field-effect transistors", Appl. Phys. Lett., Volume 73, No. 17, 26. Oktober 1998, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die obigen Probleme nicht mehr auftre­ ten. Insbesondere soll ein Transistor zur Verfügung gestellt werden, der ein verbessertes Betriebsverhalten hat und sich leichter herstellen läßt.
Lösungen der gestellten Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 9 angege­ ben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachge­ ordneten Unteransprüchen zu entnehmen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung weist ein Transistor eine Basis mit einem Bündel von Nanoröhren auf, wobei Emitter und Kollektor an gegen­ überliegenden Seiten der Basis liegen und ebenfalls jeweils Nanoröhren enthalten. Die Nanoröhren von Basis, Emitter und Kollektor können sich dabei entlang nur einer einzigen Richtung erstrecken. Vorteilhaft werden für die Basis metallische Kohlenstoff- Nanoröhren verwendet, während für Emitter und Kollektor halbleitende Kohlen­ stoff-Nanoröhren zum Einsatz kommen. Bei den Kohlenstoff-Nanoröhren kann es sich um sogenannte (n, n) Nanoröhren bzw. Nanotubes handeln, während es sich bei den Nanoröhren von Emitter und Kollektor um (n,m, n - m ≠ 3 l) Nanoröhren handeln kann. Eine einzelne Kohlenstoff-Nanoröhre hat einen Durchmesser, der nicht größer als etwa 1 nm ist. Eine derartige Kohlenstoff-Nanoröhre kann metal­ lisch oder halbleitend sein, je nach atomistischer Ausrichtung bzw. Anordnung des Kohlenstoffs in der Röhre. Eine derartige Nanoröhre kann auch dotiert sein mit Verunreinigungen vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp, jedoch nicht mit Verunrei­ nigungen vom n-Typ bzw. n-Leitungstyp.
Ein Bündel von wenigen zehn der metallischen Kohlenstoff-Nanoröhren bildet ei­ ne sogenannte Pseudolücke mit einem Elektron und einem Loch, die zur selben Zeit vorhanden sind. Bei Anlegen einer Vorspannung an ein solches Bündel von Nanoröhren treten Elektronen oder Löcher mehr oder weniger stark auf oder ein, selbst wenn keine Dotierung mit Verunreinigungen erfolgt. Bei einem erfindungs­ gemäßen Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren wird ein Bündel aus Kohlen­ stoff-Nanoröhren als Basisteil des Transistors verwendet. Zur Bildung von Emit­ ter und Kollektor werden jeweils eine einzelne Leitung oder wenige Leitungen aus Kohlenstoff-Nanoröhren benutzt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzel­ nen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine ebene Draufsicht auf einen herkömmlichen Sperrschicht-Transistor;
Fig. 1b einen Querschnitt durch den herkömmlichen Sperrschicht-Transistor;
Fig. 2 ein atomistisches Feld einer metallischen Kohlenstoff-Nanoröhre nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein atomistisches Feld einer halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhre nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 einen Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren in Übereinstimmung mit ei­ nem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im nachfolgenden soll auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im ein­ zelnen eingegangen werden. Dabei zeigen Fig. 2 eine atomistische Anordnung ei­ ner metallischen Kohlenstoff-Nanoröhre nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 3 eine atomistische Anordnung einer halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhre nach der vorliegenden Erfindung und Fig. 4 einen PNP-Sperrschicht-Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Kohlenstoff-Nanoröhren lassen sich in metallische Kohlenstoff-Nanoröhren und halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren unterteilen, und zwar je nach atomisti­ scher Anordnung der Kohlenstoff-Nanoröhre. Entsprechend der Fig. 2 weist eine einzelne Leitung der metallischen Kohlenstoff-Nanoröhre ein hexagonales Muster im Hinblick auf die atomistische Anordnung des Kohlenstoffs auf, wobei das Mu­ ster unter 90° zur Röhrenachse steht. Die metallische Kohlenstoff-Nanoröhre wird daher technisch auch als (n,n) Nanoröhre oder Armsessel-Nanoröhre be­ zeichnet. Der Ausdruck "n" steht für eine eine Größe bezeichnende ganze Zahl, wobei die zwei Buchstaben dieselben sind. Das bedeutet, daß die Röhren diesel­ ben Eigenschaften aufweisen, wobei der einzige Unterschied in ihren Durchmes­ sern besteht. Im allgemeinen sind (n,n) Kohlenstoff-Nanoröhren (10,10) Kohlen­ stoff-Nanoröhren.
Die Fig. 3 zeigt eine halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre mit einem hexagonalen Muster einer atomistischen Verteilung von Kohlenstoffatomen, wobei das Muster nicht unter 90°, sondern leicht geneigt zur Röhrenachse steht, also einen Winkel von weniger als 90° mit der Röhrenachse einschließt. Die halbleitenden Kohlen­ stoff-Nanoröhren werden technisch als (n,m) (n - m ≠ 3 l) Kohlenstoff-Nanoröhren bezeichnet. Hierin sind "n" und "m" keine Vielfachen von 3. Beispielsweise wäre eine (10,0) oder (11,0) Kohlenstoff-Nanoröhre eine spezielle Ausführungsform mit einer Energielücke von 1 eV.
Ein Transistor in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die die obigen Eigenschaften aufweisenden Kohlenstoff-Nanoröhren zum Einsatz kommen, ist in Fig. 4 gezeigt. Bei diesem Transistor besteht ein Basisteil des Transistors aus einem Bündel von metalli­ schen Kohlenstoff-Nanoröhren. Die Abmessungen des Bündels sind: Durchmes­ ser × Breite wenigstens 5 nm × 6 nm. Das bedeutet, daß der Durchmesser des Bündels wenigstens 5 nm betragen kann, während seine Breite bzw. Länge wenigstens 6 nm betragen kann. Ein Emitterteil des Transistors enthält eine einzelne oder nur wenige Leitungen von halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren mit großer Energielücke, dotiert mit einer p-Typ-Verunreinigung, z. B. Bor. Schließlich ent­ hält auch der Kollektor des Transistors nur eine einzelne Leitung oder nur wenige Leitungen von halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren mit großer Energielücke, die ebenfalls mit einer p-Typ-Verunreinigung, etwa Bor, dotiert sind. Die Dotie­ rungskonzentration des Kollektors ist aber geringer als die des Emitters. Schließ­ lich befindet sich eine Elektrode aus Metall oder eine metallische Kohlenstoff-Na­ noröhre im mittleren Bereich des Basisteils, also im mittleren Bereich des Bün­ dels aus metallischen Kohlenstoff-Nanoröhren, wobei diese Elektrode auf der Umfangsoberfläche des Bündels mittig zu diesem in Umfangsrichtung verläuft. Am Ende der zuletzt genannten Elektrode befindet sich ein Basisanschluß. An den Enden der zuvor erwähnten halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren befinden sich jeweils ein Emitteranschluß und ein Kollektoranschluß. Im Gegensatz zum her­ kömmlichen Sperrschicht-Transistor weist der Transistor nach der vorliegenden Erfindung in seinem Basisbereich keinen Verarmungsbereich auf, da der Basis­ bereich nicht durch künstliche Dotierung erzeugt wird. Der Basisbereich arbeitet vielmehr ähnlich nach Art einer Batterie, weil der Energiepegel des Basisbereichs abhängig von der Nettoladung des gesamten Basisbereichs weder ansteigt noch abfällt.
Nachfolgend wird der Betrieb des zuvor erwähnten Transistors nach der Erfin­ dung mit Kohlenstoff-Nanoröhren im einzelnen beschrieben.
Grundsätzlich ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Transistors mit Kohlenstoff-Nanoröhren dieselbe wie beim herkömmlichen Transistor. Der erfin­ dungsgemäße Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren arbeitet jedoch etwas an­ ders infolge der ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften des aus Kohlenstoff- Nanoröhren bestehenden Bündels im Basisbereich. Wird der in einer Richtung gleichmäßige Betrieb beim herkömmlichen Transistor betrachtet, so weist dieser nur dann ein gutes Betriebsverhalten auf (Reduzierung des Leckstroms und ho­ her Gewinn), wenn eine Spannung VEB zwischen Emitter und Basis ein klein we­ niger positiv ist, z. B. 0,7 V. Der erfindungsgemäße Transistor mit Kohlenstoff-Na­ noröhren zeigt diese guten Betriebseigenschaften nur dann, wenn die Spannung VEB zwischen Emitter und Basis ein klein wenig negativ ist. Dies liegt daran, daß eine Energielücke in der Basis tatsächlich näherungsweise "0" ist, so daß die ein klein wenig negative Spannung VEB zwischen Emitter und Basis angelegt werden sollte, um den Energiepegel positiv zu beeinflussen bzw. einzustellen, wenn Lö­ cher in die Basis eintreten. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß eine leichte Absenkung des absoluten Werts der Spannung VEB zwischen Emitter und Basis, die einen negativen Wert hat, identisch ist zu einer leichten Erhöhung einer Spannung VEB zwischen Emitter und Basis des herkömmlichen Transistors beim oben beschriebenen Betrieb. Wird der Absolutwert der Spannung VEB zwischen Emitter und Basis, der negativ ist, leicht reduziert, so wird auch die Anzahl der Löcher in der Basis leicht reduziert. Dies ist identisch zu einer leichten Erhöhung von Elektronen zur Basis durch den mit der Basis verbundenen Anschluß, was dazu führt, daß im Emitter vorhandene Löcher zur Basis gezogen werden, was ei­ nen Gewinn an Strom darstellt. Wie beim herkömmlichen Transistor wird auch beim erfindungsgemäßen Transistor eine starke Rückwärtsvorspannung zwi­ schen Basis und Kollektor angelegt. Geschieht dies für den Fall, daß Emitter und Basis gemeinsam miteinander verbunden sind, so sind der Emitterstrom IE und der Kollektorstrom IC praktisch dieselben wie beim herkömmlichen Transistor, da jetzt Löcher innerhalb des Emitters sehr stark in Richtung zum Kollektor gezo­ gen werden. Der Widerstand zwischen Basis und Kollektor ist daher signifikant größer als der Widerstand zwischen Emitter und Basis, was zu einem Spannungs­ gewinn und zu einem Leistungsgewinn beim erfindungsgemäßen Transistor führt.
Der erfindungsgemäße Transistor mit Kohlenstoff-Nanoröhren weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Obwohl die Möglichkeit der n-Typ-Dotierung von Kohlenstoff-Nanoröhren die Herstellung eines Transistors aus Kohlenstoff-Nanoröhren behindern würde, wird erfindungsgemäß ein PNP-Transistor vorgeschlagen, der aus einem Bündel von Kohlenstoff-Nanoröhren besteht und ungewöhnliche elektrische Eigenschaf­ ten aufweist.
Der erfindungsgemäße Transistor aus Kohlenstoff-Nanoröhren weist nur eine sehr geringe Größe auf (etwa 10 nm oder weniger bis herab zu 1 nm), so daß sich die Abmessungen von Einrichtungen erheblich reduzieren lassen, und zwar ge­ genüber herkömmlichen Abmessungen, was bezogen auf die Länge eine Verringerung auf 1/100 und bezogen auf die Fläche eine Verringerung auf 1/10.000 be­ deutet.
Die Bildung eines Transistors aus Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer thermischen Leitfähigkeit signifikant größer als die des Siliciums führt zu einer erhöhten Be­ triebsgeschwindigkeit.
Die Betriebsspannung des erfindungsgemäßen Transistors mit Kohlenstoff-Na­ noröhren ist sehr viel kleiner als bei einem Siliciumtransistor, so daß der Lei­ stungsverbrauch reduziert wird.
Die Möglichkeit der Verwendung einer metallischen Kohlenstoff-Nanoröhre als Elektrode zur Anlegung einer Spannung bzw. einer Leistung an einen Transistor führt zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses.

Claims (10)

1. Transistor, enthaltend:
eine Basis aus einem Bündel von Nanoröhren; und
einen Emitter und einen Kollektor an gegenüberliegenden Seiten der Basis, die ebenfalls jeweils Nanoröhren enthalten.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano­ röhren des Bündels der Basis (n,n) Nanoröhren sind.
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanoröhren von Emitter und Kollektor (n,m) Nanoröhren sind, wobei n - m ≠ 3 l gilt.
4. Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Emitter als auch der Kollektor eine oder zwei Leitungen von (n,m) Kohlenstoff-Nanoröhren enthalten, wobei n - m ≠ 3 l gilt.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Basis wenigstens ein Bündel von metallischen Kohlenstoff- Nanoröhren enthält.
6. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß sowohl der Emitter als auch der Kollektor halbleitende Kohlen­ stoff-Nanoröhren enthalten.
7. Transistor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die (n,m) Kohlenstoff-Nanoröhren durch Dotierung von p-Typ sind.
8. Transistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Basiselektrode aus Metall oder wenigstens einer metallischen Kohlenstoff- Nanoröhre das die Basis bildende Bündel von Nanoröhren mittig und wenigstens teilweise in Umfangsrichtung verlaufend umgibt.
9. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß Elektroden zur Anlegung von Spannungen an die Basis, den Emitter und den Kollektor vorgesehen sind, wobei die Elektroden auch me­ tallischen Nanoröhren enthalten können.
10. Verfahren zum Betreiben eines Transistors nach einem der vorste­ henden Ansprüche als PNP-Transistor, bei dem das die Basis bildende eine Bündel von (n,n) Kohlenstoff-Nanoröhren so elektrisch vorgespannt ist, daß es n-Typ-Eigenschaften aufweist.
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