一种n型纳米半导体器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种n型纳米半导体器件及其制备方法 (N-type nano semiconductor device and preparation method thereof ) 是由 吴志强 王胜 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种n型纳米半导体器件及其制备方法。通过采用低功函数的金属铪(Hf)作为接触电极材料与碳纳米管形成n型接触,可用于制备高性能的n型碳纳米管光电器件,也可用于制备以碳纳米管为基的其他各种高性能的纳电子器件,包括非对称多层光电探测器、级联光电探测器、互补型场效应晶体管等。本发明进一步提升了碳纳米管n型金属接触的稳定性,提高了器件的性能,具有广泛的应用前景。(The invention discloses an n-type nano semiconductor device and a preparation method thereof. By adopting the metal hafnium (Hf) with low work function as a contact electrode material to form n-type contact with the carbon nano tube, the method can be used for preparing high-performance n-type carbon nano tube photoelectric devices and can also be used for preparing other various high-performance nano electronic devices based on the carbon nano tube, including asymmetric multilayer photoelectric detectors, cascade photoelectric detectors, complementary field effect transistors and the like. The invention further improves the stability of the carbon nano tube n-type metal contact, improves the performance of the device and has wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种纳米半导体器件及其制作方法，尤其涉及一
种具有n型基于碳纳米管的纳米半导体器件及其制备方法。
背景技术
纳电子器件的研究是当今纳米科学技术中最为重要的领域。碳纳米管以其独特的电学性能被认为是最有希望的纳电子器件的构建材料。用碳纳米管构建的各种纳电子器件如场效应晶体管、逻辑运算电路、振荡器、生物以及化学传感器等已经被广泛地研究，器件的性能在许多方面已经超过目前的微电子器件。这些都大大地促进了纳电子器件的实用化进程。以碳纳米管为基的各种纳电子器件中都不可避免地涉及到碳纳米管与外部电极、以及各碳纳米管之间的连接问题。目前广泛采用的是用金属连接，即采用各种微加工的方法选择适当的金属材料把碳纳米管连接起来构建成纳电子器件。目前采用金属钯(Palladium，Pd)已经实现了与碳纳米管的p型高性能接触。采用Pd做接触电极的碳纳米管场效应晶体管不仅可以获得欧姆接触，而且可以实现载流子的弹道输运，部分性能已经远远超过了目前基于硅技术的的p型MOSFET。
众所周知，作为逻辑电路基本单元的CMOS同时需要p型和n型场效应晶体管。尽管p-型碳纳米管场效应晶体管已经制备得很好，但n型碳纳米管场效应晶体管的研究还远远落后于p型器件。目前用来制备n型碳纳米管场效应晶体管的方法主要有两种，一种是对碳纳米管本身进行电子型掺杂从而实现n型器件。这种方法虽然可以得到性能较好的n型器件，但是掺杂并不稳定，器件必须处于一定的化学环境中才行，当环境(如温度、气氛)发生变化时器件的性能随之变化，实用性较差。
另一种是采用低功函数的金属(如Al，Mg，Ca)作为电极材料来实现金属与碳纳米管的n型接触。由于碳纳米管的准一维特性，金属与半导体型碳纳米管接触时没有费米面钉扎效应，从而二者接触形成的Schottky势垒高度主要由碳纳米管和金属材料的功函数差决定。碳纳米管的费米能级为4.5eV，直径1.5nm的单壁碳纳米管的能隙约0.6eV，因此碳纳米管的价带底约为4.2eV。为实现n型接触必须选择功函数低于4.5eV的金属材料做电极。虽然Al(4.3eV)，Mg(3.60eV)，Ca(2.87eV)的功函数较低，但它们在空气中极易氧化，难以获得性能稳定的n型接触；氧的吸附也会导致金属功函数的升高，从而导致Schottky势垒的升高；另外这三种金属与碳纳米管的浸润性也不好，这些都导致了利用Al，Mg，Ca难以与碳纳米管形成高性能的n型接触。
目前的研究中采用Sc和Y金属作为n型接触，在一定程度上能够提升器件的稳定性,但是由于形成n型欧姆接触的低功函数Sc和Y金属化学性质活泼，而且容易与氧气和水反应，需要复杂的钝化层的封装，此外，Sc和Y金属其氧化层较厚，一般大于8nm，存在接触电极的尺寸缩减问题。目前在保持其欧姆接触前提下，只能做到25纳米接触电极宽度，无法满足碳纳米管10nm节点下的电极尺寸要求。同时，Sc(21)和Y(39)金属的原子序数相对小，均为活泼金属，在接触电极尺寸缩减时容易发生电迁移，而且易氧化，存在氧化层，并且器件长期稳定差，无法实现电子器件小尺寸化。
因此，如何形成稳定性更高、电学性能更好、封装工艺更简单的n型接触已成为限制纳米半导体器件小型化的重要因素。
发明内容
本发明针对以上现有技术中存在问题，提出一种采用金属铪进行高性能n型接触的纳米半导体器件及其制备方法，本发明的技术方案具体如下：
本发明提出了一种纳米半导体器件，如图1所示，其具有碳纳米管作为导电通道，具有一金属铪(Hf)电极与上述碳纳米管形成n型欧姆接触。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，在上述金属铪(Hf)电极的厚度为10nm-120nm。
优选地，在上述碳纳米管上以及上述碳纳米管上与金属铪(Hf)接触部位上包覆有一封装介质，其厚度为20nm-2μm，选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
优选地，上述衬底具有一底栅电极，并在上述碳纳米管和上述底栅电极之间具有一栅介质层，其中上述底栅电极选自重掺硅、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)，上述栅介质层优选为二氧化硅(SiO2)或氧化铪(HfO2)
优选地，在上述碳纳米管上具有一栅介质层，上述栅介质层上具有一栅极，其中上述栅介质层选自氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或氧化钇(Y2O3)。
优选地，上述栅介质层为非对称型、U型或T型。
优选地，上述栅极材料选自金(Au)、钯(Pd)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
本发明的另一方面提出了一种纳米半导体器件的制备方法，在衬底上形成一碳纳米管，然后选用纯度为98％以上的金属铪(Hf)作为靶材，并在沉积之前进行预溅射工艺，以去除金属铪(Hf)电极表面的氧化物，随后通过电子束蒸发或磁控溅射在其上沉积金属铪(Hf)电极，使得金属铪(Hf)电极与上述碳纳米管形成n型欧姆接触。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本发明的另一方面还提出了一种纳米光电器件，具有一栅极和作为导电通道的碳纳米管，在上述栅极和上述碳纳米管之间具有一栅介质，在上述碳纳米管上具有一与其接触的一个高功函数金属接触和一个低功函数金属接触，上述低功函数金属为金属铪(Hf)，其与上述碳纳米管构成n型欧姆接触。
本发明上述的高功函数金属是指功函数高于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Pd；上述低功函数金属是指功函数低于碳纳米管材料费米能级的金属，例如Al、Mg、Ca、Sc、Y、Hf等。高功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的价带相连，有效地向碳纳米管的价带注入空穴；而低功函数金属可以直接和半导体碳纳米管的导带相连，有效地向碳纳米管的导带注入电子。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，上述高功函数金属电极为Pd电极。
优选地，上述栅极位于上述碳纳米管下方，上述栅极选自重掺硅、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)，上述栅介质选自二氧化硅(SiO2)或氧化铪(HfO2)。
优选地，上述栅极位于上述碳纳米管上方，上述栅介质选自氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或氧化钇(Y2O3)，上述栅极选自金(Au)、钯(Pd)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
优选地，上述纳米光电器件上包覆有一封装介质，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本发明的另一方面还提出了一种非对称红外探测器和非对称太阳能电池，其包含如上述纳米光电器件。
本发明的另一方面还提出了一种非对称纳米光电器件的制备方法，包括以下步骤：
S1:提供一Si/SiO2衬底，在其上形成一碳纳米管；
S2:通过光刻工艺在上述碳纳米管上定义一Pd电极图案，然后沉积形成Pd电极；
S3:通过光刻工艺在步骤S2获得的结构上定义一Hf电极图案，然后选用纯度为98％以上的金属铪(Hf)作为靶材，并在沉积之前进行预溅射工艺，以去除金属铪(Hf)电极表面的氧化物，随后通过电子束蒸发或磁控溅射在其上沉积金属铪(Hf)电极；
S4:在碳纳米管和金属铪(Hf)电极上形成一封装介质，获得非对称纳米光电器件。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本发明的另一方面还提出了一种非对称多层纳米光电器件，具有一栅极和作为导电通道的碳纳米管，在上述栅极和上述碳纳米管之间具有一栅介质，在上述碳纳米管上具有一与其接触的一个高功函数金属接触和一个低功函数金属接触，上述碳纳米管为多层结构，上述高功函数金属接触为多层堆叠结构，上述低功函数金属接触为多层堆叠结构，并且上述低功函数金属为金属铪(Hf)，其与上述碳纳米管构成n型欧姆接触。
优选地，上述高功函数金属电极为Pd电极。
优选地，上述栅极位于上述碳纳米管下方，上述栅极选自重掺硅、钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)，上述栅介质选自二氧化硅(SiO2)或氧化铪(HfO2)
优选地，上述栅极位于上述多层碳纳米管上方，上述栅介质选自氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或氧化钇(Y2O3)，上述栅极选自金(Au)、钯(Pd)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的合金或叠层。
优选地，上述纳米光电器件上包覆有一封装介质，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本发明的另一方面还提出了一种非对称多层红外光电探测器和非对称多层太阳能电池，其包括上述非对称多层纳米光电器件。
本发明的另一方面还提出了一种非对称多层纳米光电器件的制备方法，包括如下步骤：
S1:提供一Si/SiO2衬底，在其上形成一碳纳米管；
S2:通过光刻工艺在上述碳纳米管上定义一Pd电极图案，然后沉积形成Pd电极；
S3:通过光刻工艺在步骤S2获得的结构上定义一Hf电极图案，然后选用纯度为98％以上的金属铪(Hf)作为靶材，并在沉积之前进行预溅射工艺，以去除金属铪(Hf)电极表面的氧化物，随后通过电子束蒸发或磁控溅射在其上沉积金属铪(Hf)电极,与碳纳米管形成n型欧姆接触；
S4:提供另一Si/SiO2衬底，并在其上按照步骤S1的方法在其上形成一碳纳米管，然后将上述碳纳米管转移至步骤S3形成的结构表面上；
S5:重复步骤S2-S4,形成多层Pd电极、多层Hf电极以及多层碳纳米管结构；
S6:在步骤S5获得多层结构上形成一封装介质，从而获得非对称多层纳米光电器件。
优选地，上述封装介质通过原子层沉积(ALD)沉积氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或由旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。
本发明的另一方面还提出了一种级联纳米光电器件，其具有一碳纳米管作为吸光材料和导电通道，上述碳纳米管的两端具有一个高功函数的金属接触电极和一个低功函数的金属接触电极，在上述高功函数的金属接触电极和上述低功函数的金属接触电极之间的导电通道上具有n-1(n为大于1的正整数)个虚电极对，将导电通道分为串联在一起的n个单元器件；
上述虚电极对由连在一起的高功函数虚电极和低功函数虚电极组成，其中高功函数虚电极在靠近上述低功函数的金属接触电极一侧，上述低功函数虚电极在靠近上述高功函数的金属接触电极一侧，上述高功函数金属为金属钯(Pd),上述低功函数金属为金属铪(Hf)，其中上述金属铪(Hf)以及铪(Hf)虚电极与上述碳纳米管构成n型欧姆接触。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，上述钯(Pd)虚电极和铪(Hf)虚电极部分重叠。
优选地，上述级联纳米光电器件上包覆有一封装介质，上述封装介质选自旋涂玻璃(SOG)、倍半氧硅氢化物(HSQ)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本发明的另一方面还提出了一种级联红外光电探测器级联太阳能电池，其包括上述级联纳米光电器件。
本发明的另一方面还提出了一种级联纳米光电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:提供一Si/SiO2衬底，在其上形成一碳纳米管；
S2:通过光刻工艺在上述碳纳米管上定义一Pd电极和Pd虚电极的图案形状,然后沉积形成Pd电极和Pd虚电极；
S3:通过光刻工艺在步骤S2获得的结构上定义一Hf电极和Hf虚电极图案，然后选用纯度为98％以上的金属铪(Hf)作为靶材，并在沉积之前进行预溅射工艺，以去除金属铪(Hf)电极表面的氧化物，随后通过电子束蒸发或磁控溅射在其上沉积金属铪(Hf)电极和Hf虚电极，形成金属铪(Hf)电极和Hf虚电极与上述碳纳米管的n型欧姆接触；
S4:在步骤S3获得结构上进一步形成一封装介质，获得级联纳米光电器件。
优选地，上述碳纳米管为单根碳纳米管或由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜。
优选地，上述封装介质通过原子层沉积(ALD)沉积氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。
本发明的另一方面还提出了一种纳米互补场效应晶体管器件，具有碳纳米管作为导电通道，p型场效应晶体管由一碳纳米管和与之形成p型欧姆接触的高功函数的金属Pd电极组成，n型场效应晶体管由一碳纳米管材料和与之形成n型欧姆接触的低功函数的金属铪(Hf)电极组成。
本发明的另一方面还提出了一种碳基集成电路，其包括上述纳米互补性场效应晶体管器件。
优选地，该集成电路为与非门电路、或非门电路或全加器。
本发明的一个目的是通过采用金属铪(Hf)作为接触金属，由于金属铪具有低功函数、且化学性质稳定、不易与水、除HF之外普通的酸或碱反应等优点，此外，金属Hf存在自限制的氧化层，其氧化层厚度薄<5nm，可以进一步缩减接触电极宽度<20nm，而且Hf的原子序数高(72)，不易产生电迁移，因此本发明采用金属铪与碳纳米管形成n型欧姆接触，具有良好的电学性能，其稳定性好，具有非常大的应用前景，可以应用在NMOS器件中以及非对称光电探测器中，尤其是在非对称多层光电探测器中，由于涉及需要多次转移碳纳米管，一方面其中需要与水接触，传统的金属由于性质活泼容易与水发生反应，采用铪金属作为n型接触防止多层碳纳米管的接触电阻显著增加，并且同时获得高的光吸收效率以及更高的器件外量子效率和响应度。
本发明的另一个目的是提出了采用金属铪(Hf)作为n型欧姆接触的级联光电器件，可以采用Hf虚电极，实现光伏倍增，获得更高响应度的级联光电器件。
本发明的另一个目的还在于实现了将金属铪(Hf)作为n型欧姆接触的n型场效应晶体管，并与p型场效应晶体管形成互补型场效应晶体管结构，并实现与非门电路、或非门电路或全加器，从而实现碳基集成电路。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的技术方案进行描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为以Hf金属为源漏极的纳米半导体器件示意图；
图2为以Hf金属为源漏极的纳米半导体器件的转移特性曲线；
图3为以Hf金属为源漏极的纳米半导体器件的输出特性曲线；
图4为顶栅结构的纳米半导体器件示意图；
图5为非对称顶栅结构纳米半导体器件示意图；
图6为另一非对称顶栅结构纳米半导体器件示意图；
图7为U型顶栅结构纳米半导体器件示意图；
图8为T型顶栅结构纳米半导体器件示意图；
图9为非对称光电器件示意图；
图10为不同波长照射下非对称光电器件的输出特性曲线；
图11为不同光功率密度下光电器件的输出特性曲线；
图12为光电器件的光电流、光电压随光功率密度变化的曲线；
图13为非对称多层光电器件示意图；
图14为级联光电器件示意图；
图15为多个并行纳米管级联光电器件示意图；
图16为不同级联级数的级联光电器件的输出特性；
图17为不同级联级数的级联光电器件的光电压的统计；
图18为互补性场效应晶体管示意图；
具体实施方式
下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。在各附图中，相同的元件采用相同的附图标记来表示，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。
下面结合图1-图18对本发明技术方案的实施例进行描述。
实施例一
本实施例描述了一种底栅结构的纳米半导体器件，如图1所示，该器件具有一Si/SiO2衬底,其包括一重掺硅基底101及其上的一SiO2栅介质102，在SiO2栅介质102上具有一单壁碳纳米管103，在单壁碳纳米管103两端具有一源极104和漏极105，其中源极104和漏极105的电极材料均为金属铪(Hf)，其厚度为10nm，在其他实施例中，金属铪的厚度为120nm，并根据需求在10nm-120nm之间调节。其中源极104和漏极105与上述单壁碳纳米管103构成n型欧姆接触。
进一步的，在上述纳米半导体器件上包覆厚度为20nm的Al2O3封装介质106，该封装介质包覆上述单壁碳纳米管103以及与金属铪(Hf)接触的部位。在其他实施例中，封装介质还可以采用旋涂玻璃(SOG)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其厚度可以在20nm-2μm的范围内。按照本实施制备出的以金属铪(Hf)为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管场效应晶体管的转移特性和输出特性分别如图2和图3所示。图2是Hf接触的底栅碳纳米管场效应晶体管的转移特性曲线，是典型的n接触。在0.1V偏压下，器件具有5个量级开关比，器件的开态电流达到2.48μA。图3是器件的输出特性曲线，在室温小偏压下，Hf与碳纳米管是欧姆接触。
上述纳米半导体器件的制备方法如下：
S1:首选提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，并在Ar/H2环境下在600℃对所获得的碳纳米管进行退火1小时左右，或在碳纳米管薄膜上沉积3nm的金属钇，在200℃下热氧化20分钟，并在1:10稀释的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。
S2:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光刻或者电子束曝光形成源漏电极图案；
S3:将具有源漏电极图案的样品放进磁控溅射系统中，采用纯度为98％以上的金属Hf作为靶材，抽真空至5×10-6Torr左右，首先采用预溅射工艺进一步去除Hf靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层10nm厚的金属Hf；
S4:进一步在所获得的表面结构通过原子层沉积(ALD)方式生长一层厚度为20nm的Al2O3封装介质，包覆所获得的碳纳米管器件。
在其他的实施例中，也可以通过SOG、HSQ工艺形成封装介质，上述封装介质材料可以选自氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
通过以上制备方法，在溅射过程中采用高纯度金属Hf,并通过预溅射工艺进一步提高靶材的纯度，然后提高镀膜工艺的真空镀，从而实现了形成金属Hf与碳纳米管的n型欧姆接触。
实施例二
本实施例描述了一种顶栅结构的纳米半导体器件，如图4所示，该器件具有一Si/SiO2衬底,其包括包括一重掺硅基底201，其上具有一SiO2栅介质202，在SiO2栅介质202上具有一单壁碳纳米管203，在其两端具有一源极204和漏极205，其中源极204和漏极205的电极材料均为金属铪(Hf)，其厚度为120nm。其中源极204和漏极205与上述单壁碳纳米管103为n型欧姆接触。在单壁碳纳米管203上以及部分源极204和漏极205形成一HfO2栅介质层206，其上一层栅极金属207，该栅极金属为钯(Pd)。在其他的实施例中，该栅极金属可采用金(Au)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的叠层。在其他实施例中，可以采用其他底栅电极与栅介质层作为衬底，其中底栅电极可以选自钯(Pd)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、钼(Mo)。
在其他的实施例中，可以在单壁碳纳米管203上形成不同类型的顶栅，例如非对称栅、U型栅或T型栅。图5中为在部分源极204和漏极205形成一HfO2栅介质层206后，仅在覆盖源极部分形成Pd栅极金属。图6展示了另一结构的栅极，其在单壁碳纳米管203靠近源极部分覆盖一层HfO2栅介质层，而存在部分暴露的单壁碳纳米管203，然后在上述HfO2栅介质层上形成一Pd栅极。图7展示了一种U型栅极顶栅结构，其具有一栅介质层206’、金属Ti层208组成的栅叠层，并在其上沉积Pd金属层。图8展示了一种T型栅结构。
进一步的，在上述纳米半导体器件上包覆厚度为2μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装介质。在其他实施例中，封装介质可以采用氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
本实施例的器件制备方法如下：
S1:提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长，或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，并在Ar/H2环境下在600℃对所获得的碳纳米管进行退火1小时左右，或在碳纳米管薄膜上沉积3nm的金属钇，在200℃下热氧化20分钟，并在1:10稀释的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。
S2:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光刻或者电子束曝光形成源漏电极图案；
S3:将具有源漏电极图案的样品放进磁控溅射系统中，采用纯度为98％以上的金属Hf作为靶材，抽真空至5×10-5Torr左右，首先采用预溅射工艺，进一步去除Hf靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层120nm厚的金属Hf；
S4:在上述步骤获得的结构上沉积一层HfO2栅介质层206，并在其上一钯(Pd)栅极207，进一步在所获的的表面结构形成一层2μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装介质，最终形成本实施例中的顶栅结构。
实施例三
本实施例描述了一种非对称光电探测器，如图5所示。该光电探测器具有一Si/SiO2衬底，其包括一重掺的硅基底301以及其上的栅介质层302，在栅介质层302上具有一作为导电通道的碳纳米管303，在碳纳米管303上具有一与其接触的一个金属Pd接触电极304和一个金属Hf接触电极305，金属Hf接触电极305与碳纳米管303形成n型欧姆接触。进一步在所获得表面结构通过原子层沉积(ALD)方式生长一层Al2O3封装介质，包覆所获得的碳纳米管器件，从而形成本实施例中的非对称光电探测器。图10-图12是本实施例的非对称光电探测器的输出特性曲线。图10是沟道长度为200nm的非对称光电探测器在近红外波段的光电响应曲线。在波长为1550nm入射光下，器件的光电流为16.3nA，器件的光电压为0.2V。图11是非对称光电器件在不同光功率密度下的光电响应曲线。图12是非对称光电器件的光电压和光电流与入射光功率密度的变化关系，器件的光电流随着光功率表现出线性变化，而光电压随着光功率表现出对数关系。
在另外的实施例中，可通过在碳纳米管303上以及金属Pd接触电极304和金属Hf接触电极305形成一HfO2栅介质层，并在其上沉积一层钯栅金属层(图中未示出)，从而形成顶栅结构的非对称光电探测器结构。
在另外的实施例中，可以将上述非对称光电探测器应用于红外探测器和太阳能电池器件中。
本实施例的非对称光电探测器结构制备方法如下：
S1:提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长，或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，并在Ar/H2环境下在600℃对所获得的碳纳米管进行退火1小时，或在碳纳米管薄膜上沉积3nm的金属钇，在200℃下热氧化20分钟，并在1:10稀释的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。
S2:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光刻或者电子束光刻形成一Pd电极图案，并将光刻后的样品放入电子或者热蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层厚度为20nm的金属Pd薄膜，随后将样品放入丙酮中进行剥离，去除残留金属层。
S3:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成一Hf电极图案，在将光刻好的样品放进磁控溅射系统中，采用纯度为98％以上的金属Hf作为靶材，抽真空至5×10-6Torr左右，首先采用预溅射工艺，进一步去除Hf靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层20nm厚的金属Hf；
S4:进一步在所获的表面结构上通过原子层沉积(ALD)方式生长一层Al2O3封装介质，形成本实施例中的器件非对称光电探测器结构。
实施例四
本实施例描述了一种非对称多层光电探测器，如图13所示。该光电探测器具有一Si/SiO2衬底，其包括一重掺的硅基底401以及其上的栅介质层402，在栅介质层402上具有作为导电通道的多层碳纳米管403，在本实施例中多层碳纳米管的层数为4层，可根据需要调整碳纳米管的层数。在多层碳纳米管403上具有一与其接触的一个金属Pd构成的叠层接触电极404和一个金属Hf构成的接叠层接触电极405，金属Hf接触电极405与多层碳纳米管403形成n型欧姆接触。进一步在所获得表面结构通过原子层沉积(ALD)方式生长一层Al2O3封装介质，包覆所获得的碳纳米管器件，从而形成本实施例中的非对称多层光电探测器。
在另外的实施例中，可以将上述非对称多层光电探测器应用于红外探测器和太阳能电池器件中。
本实施例中的非对称多层光电探测器按照如下方法制备：
S1:提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长，或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，并在Ar/H2环境下在600℃下对所获得的碳纳米管进行退火1小时，或在碳纳米管薄膜上沉积3nm的金属钇，在200℃下热氧化20分钟，并在1:10稀释的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。
S2:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光刻或者电子束曝光形成一Pd电极图案，并将光刻后的样品放入电子或者热蒸发系统中，抽真空后蒸镀一层厚度为10nm的金属Pd薄膜，随后将样品放入丙酮中进行剥离，去除残留金属层。
S3:在碳纳米管上涂光刻胶并通过光刻或者电子束曝光形成一Hf电极图案，在将光刻好的样品放进磁控溅射系统中，采用纯度为98％以上的金属Hf作为靶材，抽真空至5×10-6Torr左右，首先采用预溅射工艺，进一步去除Hf靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层10nm厚的金属Hf；
S4:提供另一Si/SiO2衬底，并按照步骤S1的方法在其上形成碳纳米管，然后在其上旋涂一层光刻胶并在室温下进行干燥，随后在光刻胶上粘贴上开口胶防止其开裂。将上述衬底浸入到HF缓冲溶液中使得载有碳纳米管的光刻胶膜与Si/SiO2衬底自然分离，将分离后的光刻胶膜在去离子水中进行清洗以去除残留的去离子水。
S5:在已经形成电极接触的原Si/SiO2衬底上加入水滴，将载有碳纳米管的光刻胶膜覆盖其上并进行干燥，从而将碳纳米管紧紧附着在上述衬底上，完成一层碳纳米管的转移。
S6：重复步骤S2-步骤S5，继续在其上形成一层金属Pd薄膜和金属Hf薄膜，并转移形成多层碳纳米管，在本实施例中碳纳米管的层数为4层，，在最后一层转移碳纳米管完毕后，形成50nm的金属Pd薄膜和金属Hf薄膜。在其他实施例中可以根据器件对所需要的碳纳米管层数进行调节。
S7：在所获的表面结构上通过原子层沉积(ALD)方式生长一层Al2O3封装介质406，形成本实施例中的器件非对称多层光电探测器结构。
由于Hf金属化学性质稳定，不与水反应，通过薄膜多次转移技术和叠层接触技术，可以进一步提升n型器件的性能，根据需求调整碳纳米管薄膜的层数。
实施例五
本实施例描述了一种级联光电器件，如图14所示。该器件具有一Si/SiO2衬底，其包括一重掺的硅基底501以及其上的栅介质层502，在栅介质层502上具有一碳纳米管503作为吸光通道和导电通道，在碳纳米管503的两端具有一个宽度为0.6μm的高功函数的金属Pd接触电极504和一个宽度为0.6μm的低功函数的金属Hf接触电极505，在金属Pd接触电极504和金属Hf接触电极505之间的导电通道上具有多个间隔1.5μm的虚电极对506，将导电通道分为串联在一起的多个单元器件。虚电极对506由连在一起的Pd虚电极和Hf虚电极组成，其中宽度均为0.6μm，其中Pd虚电极在靠近Hf接触电极505一侧，上述Hf虚电极在靠近金属Pd接触电极504一侧，其中Pd虚电极和Hf虚电极部分重叠，重叠区域为0.3μm。上述金属Hf接触电极505以及铪虚电极与碳纳米管503构成n型欧姆接触。
在另外的实施例中，可以将上述级联光电器件应用于级联红外探测器和级联太阳能电池器件中。
本实施例中的级联光电器件的制备方法如下：
S1提供一Si/SiO2衬底，通过化学气相沉积(CVD)生长，或者将分散好的碳纳米管溶液滴到上述衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管，并在Ar/H2环境下在600℃对所获得的碳纳米管进行退火1小时，或在碳纳米管薄膜上沉积3nm的金属钇，在200℃下热氧化20分钟，并在1:10稀释的盐酸中清洗15分钟，以去除表面聚合物。
S2在碳纳米管上通过光刻或电子束曝光的方法形成钯电极和钯虚电极的图案形状，然后蒸镀一层金属钯，厚度优选为50nm以上，再剥离去除不需要的金属层；
S3在碳纳米管上通过光刻或电子束曝光的方法形成铪电极和铪虚电极的图案形状，然后采用磁控溅射形成一层金属铪，采用纯度为98％以上的金属Hf作为靶材，抽真空至5×10-6Torr左右，首先采用预溅射工艺，进一步去除Hf靶材表面的氧化物，然后以1A/s的速率溅射沉积一层50nm厚的金属Hf，最后再剥离去除不需要的金属层；
S4：在所获的表面结构上通过原子层沉积(ALD)方式生长一层Al2O3封装介质，形成本实施例中的级联光电探测器。
在另一实施例中，碳纳米管503为由多根碳纳米管构成的碳纳米管薄膜，基于多根碳纳米管制作串联和并联结构的电池模块，如图15所示。上述级联光电器件采用铪金属作为低功函数金属以及虚电极形成n型欧姆接触的级联，无需掺杂，不仅可以提供有效的电压倍增，同时还可以极大地由复杂工艺带来的高成本，可以应用在光电探测器或太阳能电池中。其中图16和图17为级联光电器件的输出特性曲线。当入射光的波长为1800nm时，20级级联器件的光电压达到2.25V，满足光电集成驱动电压的要求。器件光电压与级联数目是线性关系，符合光伏倍增规律，平均每级器件贡献0.117V光电压，与单级的0.14V的光电压相近，也侧面证明了Pd-Hf非对称光电器件均一性良好。
实施例六
本实施例描述了一种纳米互补场效应晶体管(CMOS)器件，如图7所示。提供一Si/SiO2衬底，其具有一重掺硅基底601和一SiO2栅介质602，在SiO2栅介质602上具有一单壁碳纳米管603作为导电通道，在单壁碳纳米管603上分别具有p型场效应晶体管和n型场效应晶体管形成反相器，其中p型场效应晶体管包括由碳纳米管603和与之形成欧姆接触的高功函数的金属Pd电极604组成，在碳纳米管603上以及部分金属Pd电极604上形成一HfO2栅介质层606，并在其上沉积有一层栅极金属607，该栅极金属为Pd。其中n型场效应晶体管包括由碳纳米管603和与之形成欧姆接触的低功函数的金属铪(Hf)电极605组成，在碳纳米管603上以及部分金属铪(Hf)电极605上具有一HfO2栅介质层608，并在其上沉积一层栅极金属609，该栅极金属为Pd。在其他的实施例中，栅极金属607和609可采用金(Au)、钪(Sc)、铝(Al)或铪(Hf)其中之一或由上述金属组成的叠层。
基于本发明中的互补场效应晶体管(CMOS)器件，进一步可形成与非门电路、或非门电路以及全加器，并对上述器件进行组合集成构成所需的碳基集成电路。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。