CN1868030A - 包含延长纳米级元件的器件及制造方法 - Google Patents

Abstract

揭示了包含延长纳米级元件的器件的一种制造方法以及这种器件。此器件包含外延生长层，其中置入例如碳纳米管的延长纳米级元件器件。提供支持外延层的外延生长的基片，将延长纳米级元件置于该基片上并且通过外延层外延地快速生长。该延长纳米级元件由此至少部分地由外延生长层封装。在该层中制备一个或者多个部件，该一个或者多个部件通过平版印刷的方法制备。因此可以提供以碳纳米管作为活性元件的器件。该方法适用于在传统半导体器件和纳米器件之间混合的混合装置。

Description

包含延长纳米级元件的器件及制造方法

技术领域

本发明涉及包含延长纳米级元件的器件以及该器件的制造。该器件包含具有例如碳纳米管的延长纳米级元件的外延生长层。

背景技术

自从集成电路和计算机芯片出现，这些器件的性能正在以显著的速度增加，主要是由集成电路基本元件微型化和增加芯片中元件密度的能力的进展来推动的进步使得每单位区域的集成电子器件能够执行更多的功能。然而，这种技术已经接近达到例如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)的传统元件微型化所可能的极限。举例来说，几何结构正在逐渐接近由于材料扩散引起的散热和结构稳定性的极限，同时用于确定电路结构的平版印刷技术也逐渐接近于它们的分辨率极限。

不同类型的延长纳米级元件已经存在，一个重要的例子是碳纳米管。碳纳米管是碳的纳米结构管状分子。纳米管拥有潜在的对许多技术应用非常有用的电的和机械的性能。纳米管以多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的形式存在。

例如碳纳米管的延长纳米级元件的小尺寸使得处理延长纳米级元件非常具有挑战性。已经提出了将碳纳米管结合到器件中的一些方式。US 6,515,325以及US 5,581,091都揭示了在垂直的纳米管上材料的生长，其中仅仅在纳米管的末端和顶端表面上是快速生长的。WO 00/63115和WO 02/081366都揭示了通过在玻璃基片上高温分解形成包含层的纳米管的可能性，以及其后借助于另一种材料快速生长包含层的纳米管来形成部件，例如场效应晶体管(FET)、电极等。

在许多应用中，使用外延生长材料是形成某些结构的先决条件，并且外延生长材料在许多技术应用中形成了主干，例如芯片的制造和如光学、电子、机械和传感器部件的制造。

发明内容

本发明的目的之一是提供使用外延材料快速生长延长纳米级元件的一种方法。

本发明的另一目的是提供制造优于集成电路类型传统电子设备器件的器件的一种方法。

依照本发明的第一方面，上面所述的和其它的目的可以通过提供用至少一个外延层快速生长延长纳米级元件的一种方法来实现，该方法包括以下步骤：

(a)提供基片，其中此基片或者至少基片的顶层具有支持外延层的外延生长的表面；

(b)将延长纳米级元件置于该基片上；

(c)用外延层外延地快速生长该基片和延长纳米级元件，并且由此至少部分地将该延长纳米级元件封装到外延生长层中；并且

(d)在该层中制备一个或者多个部件，该一个或者多个部件通过平版印刷的方式制备。

延长纳米级元件可以是任何类型的延长纳米级元件，例如纳米管、像纳米棒或纳米须的纳米线。延长纳米级元件可以延长为大分子，例如蛋白质，并且延长纳米级元件也可以延长为纳米级聚合分子，例如DNA。延长纳米级元件可以是无机或者有机纳米级元件，延长纳米级元件也可以是分子链，如聚合链，或者延长纳米级元件是单一延长分子如碳-70。延长纳米级元件可以具有任何类型的延长形状，例如大体上的圆柱状，大体上的椭圆状等。

纳米级元件可以是无缝元件，例如无缝实心元件或者无缝中空元件，其可能拥有核心结构。可以从外部来源提供纳米级元件给基片，也就是不直接在基片上生长或者合成。纳米级元件可以是一种或者多种部件的活性结构，例如包括活性结构的单一元件，包括活性结构的元件群或者包括活性结构的很多元件。

纳米级元件可以化学合成、外延生长、如烃基气体的催化分解生长或者由在本领域技术中公知的任何其它方法得到。

纳米级元件可以是绝缘的、半导体的或者金属的，这取决于纳米级元件材料的特性以及对于此材料所可能的例如掺杂物的添加物的特性。该纳米级元件长度可以达到1厘米，例如可以达到0.5厘米，例如达到5微米，例如1000纳米，例如达到500纳米，例如达到250纳米以及例如达到100纳米。纳米级元件可以具有从1纳米到1厘米的长度，例如从100纳米到1000微米，从250～500纳米。元件的直径可以从小于1纳米到几十纳米的级别，例如0.1～100纳米，例如1～50纳米，例如2～40纳米，例如3～30纳米，例如4～20纳米，例如5～10纳米。

优选的纳米级元件可以是碳纳米管。碳纳米管可以是上述的单壁或者多壁的。单壁纳米管的典型直径是1纳米数量级，而多壁纳米管可以达到数十纳米数量级。碳纳米管可以具有达到大约1厘米的长度，但是其长度通常在微米的范围内。碳纳米管可以是半导体的，本征半导体的或者掺杂半导体的，并且在一些应用中，优选采用高浓度掺杂半导体纳米管。进一步地，纳米管可以是导电的，例如金属导体。这两种类型都以在管方向电子的一维传输为特征。

一个或者多个部件可以通过采用平版印刷确定的结构，然后进行蚀刻来制造。例如，一个或者多个部件可以通过采用下述标准平版印刷技术之一，单独地或者组合地进行制备：电子束、X射线束、离子束、紫外平版印刷、AFM平版印刷、纳米印刻平版印刷、荫罩(shadow mask)技术等。

采用外延层快速生长的延长纳米级元件提供一种具有合成在其中的延长纳米级元件的外延层。外延层可以在许多技术应用中用作重要的元件，取决于如何把延长纳米级元件合成到外延层。

依照本发明的另一方面，上述的和其它目的可以通过提供一种制造电子器件和/或部件的方法以及提供电子器件和/或部件来实现。

该器件可以是电子器件，例如包含至少一个金属氧化物型的集成电子部件的集成电路。因此，该器件可以是相应于传统的半导体集成电路的集成电路器件，但其具有由于延长纳米级元件合成到外延层而产生的改善的特性。而且，器件可以是依照本发明的任何其它类型的器件，例如发光器件、电子发射器件、自旋电子器件、传感器器件等。

可以制造包含任何类型延长纳米级元件的部件，举例来说，如包含单壁或者多壁纳米管，并且也可以制造包含单壁和多壁纳米管混合体的部件。

与传统的晶体管部件相比，由于例如碳纳米管的延长纳米级元件的较小尺寸，可以制造出占据更小的空间集成电路。另外由于如碳纳米管的延长纳米级元件具有优良的导热性能，当在集成电路中采用碳纳米管或者具有良好导热性的其它类型的延长纳米级元件时抑制了热的问题，其与采用传统晶体管部件的集成电路相比，进一步地有利于在较小的空间中堆积更多的部件。

当集成电路尺寸减少时，由于信号的传输距离缩短，电路计算速度增加。通过采用如碳纳米管的延长纳米级元件来作为在CMOS基晶体管中的通道或者在双极晶体管中的基极，由于通过使用碳纳米管使得损耗降低，器件的能耗能够显著的减少。优选地，器件可以是包含外延生长半导体异构部件的器件。

由于例如碳纳米管、铂纳米线等许多类型的延长纳米级元件的高热导性，通过外延层快速生长并因此形成包含延长纳米级元件的层的延长纳米级元件可以用作热散发层。基片和快速生长的延长纳米级元件可能因此形成制造包含例如高功率部件、激光器或者其它发热部件的器件的基础，其中快速生长的延长纳米级元件可以提供以通过或者离开该层的任何方式来消除、传导、发散或者传递热量的层。

例如碳纳米管的热导率依赖几个因素，例如沿纳米管的单元长度、纳米管的类型和温度。热导率可以在1500～600W/mK之间，例如在2000～3500W/mK之间，例如在2600～3200W/mK之间，例如在300K时测得3000W/mK。

配置于在含层散热延长纳米级元件之上生长的外延材料中或之上的部件或者器件在其结构中散发的热量，随后可以从该部件或者器件中导离，来保证器件的冷却并且避免过热。这样，由于许多电子部件在运行中的过热是部件性能的至关重要的方面，包含层的延长纳米级元件因而可以为在例如电子芯片中的部件提供热传导层，以传导与流过关键区域的高电流密度相关的热量。

合成到外延材料中的延长纳米级元件也可以用作机械器件，例如在纳米电子机械系统(NEMS)。举例来说，自由悬于两外延材料块之间的碳纳米管可以以例如GHz的很高频率振动。以GHz振动的纳米管可以制造一些器件，这些器件能够以可与通讯所采用的电磁振荡频率相当的频率振荡，因此，例如其可以用于在NEMS传感器中的传感元件，该NEMS传感器能够探测在通讯中所采用频率的电磁辐射。

首先提供了支持外延生长的基片。基片作用至少是双重的，基片至少在器件制造的整个过程中是器件的载体，并且基片确定可生长在其上的外延层的特性。因此基片的选择是基于所希望的外延层的特性。基片可以是包含几层或者多层的层叠的基片，或者基片可以由单层的单一材料形成。在基片是层叠的情况下，仅是基片的顶层支持外延生长。为了使基片支持外延生长，基片的表面优选是充分地秩序良好的，也就是，基片的表面优选是实质性的晶体状，尤其优选是实质性的单晶形材料。

外延层生长可以是匹配的或者有应力的，这由基片和外延层的特性决定。也就是，如果在基片或者至少基片顶层与至少外延层的底层之间存在晶格不匹配，外延层可能是有应力的，反之，如果在实质上在基片和外延层之间不存在不匹配，实质上应力不可能在外延层中存在。

将延长纳米级元件置于基片上并且基片包含的延长纳米级元件通过外延层快速生长，所以外延层的材料与在延长纳米级元件下面的晶体处于外延协调的状态。例如将碳纳米管封装在外延层中使其具有物理特性的独特组合，例如碳纳米管的内在小尺寸、热导率和强度以及外延生长结构的公知特征，例如在其中形成各种具有好性能的半导体器件的能力，而且保持外延生长结构的灵活性，允许例如采用平板印刷术在外延层中制备包含部件的一个或者多个碳纳米管。延长纳米级元件的许多不同的配置可以想到。例如延长纳米级元件可以作为包含在集成电路中的部件的互连。或者可以制备不同的层序，例如三层序列(a、b、c)延伸为多层序列，例如(a、b、c、d、e、…)，其中b是碳纳米管，而a、c、d、e、…可以代表电极或者半导体器件层等。

外延生长材料的使用提供了非常高精度地控制器件原子/分子组成的重要手段，同样重要的是掺杂面也能够精密的控制。例如，具有相对低掺杂浓度的半导体层可以外延生长在具有高得多浓度的同样类型掺杂物的基片上。例如这可能用于具有非常薄的基极区的晶体管的制造，并因此在高频操作时是有效的。通常地，外延生长材料的一个重要优点是特性的突变而不中断单晶体的生长。这一点的重要用处是用于场效应晶体管和激光器的量子阱。带偏移可以置入双极晶体管。

例如电子器件的制造是高度优化的，使新颖方面进入到制造过程变得困难。由于对本发明的某些方面，把延长纳米级元件置入器件中仅必须一些附加步骤，所以本发明与现有技术兼容。而且，包含由外延层生长的延长纳米级元件的基片可以由基片供应者提供，因此实质上无必要对制造过程进行修改。因此本发明覆盖从为得到具有改进特性的结构类似的器件而对制造方法的微小修改，以及其中器件的某些方面包括传统部件而器件的某些区域包括延长纳米级元件器件改进部件的混合器件，到主要地包含延长纳米级元件改进部件的器件的全部范围。

外延层可以是半导体层，因此使部件至少部分地在外延半导体层内形成为半导体部件，并从而形成半导体器件。该半导体层可以是本征的，即未掺杂的半导体层，或者非本征的，即掺杂的半导体层。包含外延层的部件可能或不一定包括含延长纳米级元件的外延层。基于包含外延层部件的集成电路可以包括含延长纳米级元件的部件和不含延长纳米级元件的部件。在半导体层中形成的部件可以利用延长纳米级元件器件或利用包含延长纳米级元件器件的互连来相互连接。外延层也可以是高浓度掺杂的半导体层或者金属层，例如在此情况下该层可以用作场效应晶体管的反向门。

可以采用几个不同技术中的一个或者多个技术进行外延层生长，例如采用分子束外延(MBE)，其对于例如GaMnAs、GaAs的许多材料的组合是优选的生长方法，并且具有使不同材料间的界面能够精密地并很好地确定的优点。然而，其它材料组合可以通过化学气相沉积的方法来实现，例如化学气相沉积(CVD)、金属有机CVD(MOCVD)、金属有机气相相外延(MOVPE)、超真空CVD(UHVCVD)、化学束外延(CBE)，或者通过液相沉积(LPE)方法来实现。这些技术都允许对较厚的外延层有用的高生长速率。

外延层的厚度可以依照特定的部件并依照外延材料以及所采用的生长技术而变化。外延层可以生长得仅有一个原子层的厚度，即大概0.1纳米的厚度，以及具有达到一毫米的厚度。因此，外延层的厚度可以在5纳米到5微米之间，例如厚度在5纳米到1微米，例如厚度在5纳米到500纳米之间，例如厚度在5纳米到100纳米之间，例如厚度在10纳米到75纳米之间，例如厚度在20纳米到50纳米之间，例如厚度在20到30纳米之间。

外延层可以是磁性的。外延层可以是磁性的和半导体的，然而，不考虑外延层的导电性，外延层也可以是磁性的。磁性层使电子部件利用电子的自旋，并且因而使所谓的自旋电子部件成为可能。自旋电子利用电子的自旋状态，产生具有新功能的新颖器件。而且，自旋电子器件与电子器件相比通常具有低功耗和较高的开关频率。因为在自旋电子器件中没有充电的RC时间常数，所以自旋电子器件比采用电荷的器件具有更快的速度。

外延层可以包括如以下的材料，GaMnAs、GaAlAs、GaAs、SiGe、GaInAs、InP、Si、SiGe、GaN、GaAlN、Al、Ag、Au、Cu、如MnGa的金属合金和单与双锰铝铜强磁性合金(CoMnGa、Co2MnGa)以及半金属铁磁体、有机半导体，例如3，4，9，10-二萘嵌苯四酸(perylenetetracarboxylic)、3，4，9，10-二酐(dianhydride)(PTCDA)和4，9，10-二萘嵌苯四酸二酐(PTCDA)染色剂分子。

外延材料的一个优点是后处理过程，例如由平板印刷对结构的设定，可以在外延材料中比在例如非结晶材料的非外延材料中更精密地和更具有再现性地完成。而且，为了在采用蚀刻的情况下获得优化的结构控制，使用外延层结构可以允许生长例如蚀刻阻止层。

基片或者至少基片的顶层可以是半导体层。基片或者至少基片的顶层可以是半导体的，所以基片或者至少基片的顶层的材料是本征半导体材料。基片或者至少基片的顶层也可以是掺杂的半导体，并且基片或者至少基片的顶层可以掺杂为N型或P型。

基片可以包含这些材料，例如：GaAs、Si、SiN、SiC、玻璃、金属氧化物、例如氧化铝。基片也可以包括量子阱、2维电子气、激光结构、光学探测器等。而且，基片可以是提供例如上述材料的任何材料外延快速生长的基础的任何基片。

基片或者至少基片的顶层可以通过分子束外延、通过化学气相沉积方法(MOCVD或UHVCVD)或通过液相沉积方法或任何其它生长方法来生长。基片可以是任何商业上可得到的晶状基片，例如Czochralski、Bridgmann或浮区法生长材料或任何由物理蒸气传输或任何流动生长材料。

为促进例如平板印刷模板的正确定位，或为使在器件表面上特定区域的定位更容易，或为任何其它原因，基片和/或顶层可以包括定位标记。定位标记可以具有突出的形式，例如凸起、或下陷，并且定位标记可以有任何形状。定位标记可以在过程的任何阶段中形成，并且定位标记可以随后在过程中由例如用于形成外延层的材料覆盖。正常地，定位标记可以具有这样的一种尺寸和结构以至于另外的材料对标记的可能覆盖不会影响标记的目的，例如特定区域的定位或重新定位。定位标记可以例如由聚焦离子束平板印刷、光学的或电子束平板印刷(继之以蒸发或蚀刻)、冲压、机械印刷术等制作。

基片或者至少基片的顶层可以由阻挡层覆盖，也就是阻挡层可以置于基片和外延层之间。例如阻挡层可以是为匹配至少基片的顶层和外延层的晶格常数而设置的缓冲层。晶格常数可以通过在至少基片的顶层和外延层之间提供大体上理想的界面来匹配。也可以为阻碍在基片和外延层之间的内扩散，或者为任何其它原因而设置阻挡层。

阻挡层可以是为了将基片和外延层绝缘而设置的绝缘层，例如为了将反向门和在晶体管类型器件中的器件绝缘。在此情况下，为在阻挡层两侧的材料之间的边界区域周围电子特性中施加突变，阻挡层就是在两种材料之间的突变。阻挡层还可以设置成电阻挡层，因为在基片和阻挡层之间或者阻挡层和外延层之间不同的电子特性。例如在两层GaAs层之间有GaAs/AlAs超晶格的情况下，阻挡层也可以用作在基片和外延层之间的通道阻挡层。

这些阻挡层可以由堆叠的层组成，举例来说，所以该阻挡层可以由一系列的交互层组成。至少一层可以包含与基片材料或顶层材料相应的材料。也就是说，如果基片是GaAs层，那么阻挡层可以包含例如以GaAs层形式存在的镓。或者阻挡层可以包含例如以AlAs层形式存在的砷。替代地，阻挡层可以包含材料层，其中这些层中的材料的成分会逐渐的改变。例如硅表面上的阻挡层可以包含硅层，其中锗的量逐渐地增加到与SiGe外延层的量相匹配，从而在阻挡层上可以生长出SiGe外延层，其中由于阻挡层的存在减小了应力，所以与有应力的无阻挡层的SiGe层的生长相比，减小了位错密度。

这些阻挡层可以形成超晶格。也就是说，阻挡层可以是由交互的超薄层组成的周期性结构，其周期小于交互层中的电子的电子平均自由程。

层堆中的层的厚度可以在1纳米到5纳米之间，例如在1纳米到3纳米之间的厚度，例如在2纳米到4纳米之间的厚度，例如2纳米的厚度。因此层堆的厚度可以在5纳米到1000纳米之间，例如在25纳米到750纳米之间，例如在50纳米到500纳米之间，例如在75纳米到250纳米之间，例如100纳米的厚度。堆叠的厚度取决于层的厚度和层的数量。例如，第一类例如GaAs的100层可以与第二类例如AlAs的100层交互，因此构成包含200层的阻挡层。

基片或至少基片的顶层可以由第一保护层覆盖。在阻挡层覆盖基片的情况下，阻挡层而不是基片可以由第一保护层覆盖。

为了能够在材料顶层上生长出外延层，材料的表面品质对生长是必需的。举例来说，由于暴露于环境空气中所产生的氧化作用、例如来自空气的环境碳的其它部件的粘附、尘土微粒等，都可能有破坏性以至于不能生长出外延层。因此，保证基片、基片的顶层或阻挡层是容许外延层生长的种类，也就是说因而其表面是分子平滑的并且去除了例如氧的有害物质，这一点是重要的。

第一保护层是用来保护在保护层下面的材料表面区域。举例来说，当阻挡层在例如像第一MBE室的第一生长室中制备后，可能有必要把表面暴露在环境空气中，而另外的程序步骤可以在例如第二MBE室或CVD室的第二生长室中发生。

此外，在延长纳米级元件的沉积期间使表面暴露到环境空气，或至少在从生长室到延长纳米级元件沉积室并返回到生长室的基片传送期间，使表面暴露到环境空气，可能是必需的。

如果暴露于环境空气中，阻挡层的表面区域可能会被破坏，因此可以设置第一保护层。

在近一步处理之前提供第一保护层是为了保护阻挡层或基片，举例来说这是因为把例如包含延长或未延长纳米级元件的基片的中间器件暴露于有危害的环境中是必须的。然而，中间器件可以在对器件无害的环境中恢复，并且在制备过程可以继续之前，除去第一保护层通常可能是必要的。

第一保护层可以是非结晶砷、硫磺、氢、氧的层或例如在生长室里可去除的任何其它材料层，而不会损害延长纳米级元件、基片、任何存在的阻挡层或已经在基片里存在的部件。

因此，例如，制造此器件的方法可以包含在外延快速生长基片和延长纳米级元件步骤之前的退火步骤。此步骤是为了去除第一保护层而不影响基片或至少基片的顶层，也不影响存在的阻挡层，或沉积的延长纳米级元件。优选地，在低于剩余材料和延长纳米级元件的任何降解温度的温度下蒸发第一保护层。在第一保护层是非结晶砷并且延长纳米级元件是碳纳米管的情况下，碳纳米管拥有与砷层的相当大的接触面并且砷层一个原子一个原子的升华，由此在砷层蒸发过程中和结束后，碳纳米管以其沉积时相同的结构保留在表面上。

外延层可以由第二层保护层覆盖，第二层保护层可以介于2纳米和500微米之间，例如可以在10纳米到250微米之间，例如在25纳米到100微米之间，例如在50纳米到1000纳米之间，例如在100纳米到500纳米之间，例如250纳米厚。为了永久保护器件不受环境空气的影响，例如保护器件以机械地抗刮擦、尘土颗粒等，第二保护层可以位于快速生长延长纳米级元件的外延层上方。

部件可以用半导体的或导体的例如纳米管的延长纳米级元件来制备，并且部件也可以用半导体的和导体的延长纳米级元件的混合物来做制备。例如，相互的连络可以是或可以包含延长的导体的纳米级元件，而包含到单独部件中的延长纳米级元件可以是半导体性质的。

延长纳米级元件可以在能够形成延长纳米级元件的任何材料中制备，例如，它可由碳、Si、SiC、B、BN、Pt、SiGe、Ge、Ag、Pb、ZnO、GaAs、GaP、InAs、InP、Ni、Co、Fe、Pb、CdS、CdSe、SnO₂、Se、Te、Si₃N₄、MgB₂等制成。

可以通过任何公知的技术将延长纳米级元件置于表面。例如碳纳米管的纳米级元件的技术领域正在以显著的速度发展，并且设想到任何可以用于将延长纳米级元件置于表面的方法。延长纳米级元件可以使用许多方法生产出来，并且随后置于支持外延生长的表面。例如，碳纳米管可以通过激光烧蚀、电弧方法、化学气相沉积(VCD)或高压CO转化(HIPCO)合成来生成。碳纳米管也可以通过液态沉积的方式置于基片。而且，催化材料的岛状物或微粒可以置于基片，并且碳纳米管可以在基片上从催化材料中生长。目前优选地，采用液态沉积将激光烧蚀的碳纳米管置于表面。

在其它方面，生长方法的特定选择取决于生长温度和外延层的生长温度。例如，当外延层是例如Si、SiGe或GaN时，因为CVD碳纳米管的生长温度和这些外延层的生长温度都是大约900-1000℃，所以可以使用利用CVD技术生长的碳纳米管。

为了获得在基片上的延长纳米级元件的特定方向或定位，在沉积外延层之前处理纳米管或任何其它类型的外延纳米级元件的位置可能是必要的。利用原子力显微镜(AFM)可以处理这些延长纳米级元件。可以用原子力显微镜(AFM)以预先确定的方式来扫描表面一次或数次，从而可以得到表面上纳米管的预定好的空间分布。也可以应用电磁场来控制延长纳米级元件的空间分布。例如延长纳米级元件的空间分布也可以通过制备将延长纳米级元件置于其上的表面来控制，即基片的表面或阻挡层的表面，通过这种方式延长纳米级元件得到预定好的空间分布。延长纳米级元件也可以在液态或气态流中生长并依据此流排列。而且，可以以延长纳米级元件之间的相互作用导致预定好的空间分布的方式在化学上改变延长纳米级元件。

然而，并不是本发明的所有方面都要求处理延长纳米级元件的空间分布。延长纳米级元件以某一方式置于表面，以至于延长纳米级元件可以以随机或明显或充分的方式存在。将延长纳米级元件合成到外延层可能对某些异质结构有利。例如，在延长纳米级元件器件是碳纳米管的情况下，能承受高电流密度的碳纳米管可以提供具有改进性能的部件，或者能够除热的碳纳米管可以提供为了操作而不要求广泛冷却的部件。

例如，金属接触垫可以通过平板印刷和升离的方法制备并连接到部件。例如为使部件与标准芯片载体接触，可以制备金属接触垫。

部件可以是电子部件，例如下面电子晶体管中的一种：JFET、MESFET，MOSFET、双极晶体管、肖特二极管、旋转阀晶体管、单极电子晶体管等。

举例来说，例如碳纳米管的延长纳米级元件可以充当晶体管的门元件。

电子部件也可以是下列电子部件之一：p-n二极管、肖特二极管、整流器、低温管器件、高频率约瑟夫森效应面结型二极管和非线性探测器、超导量子干涉仪(SQUID)等。

例如，这种情况下，碳纳米管或另一类型的延长纳米级元件可以充当电子部件中的连接元件。

电子部件可以是电荷或自旋记忆部件，其中纳米管或其它类型的延长纳米级元件用作电荷或自旋记忆的部分。

此器件可以是电子器件。例如，这个器件可以是集成电路。

此电子器件可以是包含一个或多个前面所述的电子部件的电子电路。

延长纳米级元件可以充当电子器件中的任何电子部件之间的互连。例如，延长纳米级元件可以充当在所有电子部件之间或在部分电子部件之间的互连。替代地，延长纳米级元件可以合成在电子部件之间的互连中。

单片式集成电路系统可以由重复上述方法来形成。也就是，单片式集成电路可以通过当依照上述方法时形成一层直到完成一个单片式集成电路来形成。

包含外延层的延长纳米级元件可以充当热传导层。例如，为提供具有改善的热传导能力的单片式集成电路，在单片式集成电路中可以有一层或多层的层。

光学器件、NEMS或传感器器件也可以通过上述方法来制备。

应了解本发明的特征允许在任何组合中进行组合而不偏离本发明范围。

本发明的特征和/或优点将在下文的具体实施例中得到体现和阐述。

附图说明

图1说明了纳米管FET。

图2a-2d说明了依照本发明的器件的制造。

图3a-3c说明了固定在芯片载体上的器件。

图4说明了二维电子气FET。

图5说明了含纳米管的激光器件。

图6说明了纳米电子机械系统。

具体实施方式

现在参考附图详细地描述本发明的优选实施例。

参照图1、2和3，说明了一种简单器件和简单器件实例的制造中所包含的主要过程步骤，也就是场效应晶体管(FET)的制造。

图1表示FET部件1。该器件是包含与导线(未示出)电气相连的源极2和漏极3以及门极4的三端子器件。源极和漏极用电磁半导体材料——Ga_1-xMn_xAs(GaMnAs)制成，但也可能用其它适合半导体的材料制成。源极2和漏极3通过单壁纳米管6相连。源极2、漏极3和门极4的电极可以是从纳米管之上的外延层中形成的半导体元件。可以用类似的设计获得单个的电子晶体管器件。

现在参照图2a到2d讨论论述这种器件的制造。这种器件的制造是在例如UHVMBE制造室的一个或多个制造室中控制的，此制造室里的环境条件可以精确地控制。基片20是高度n型掺杂GaAs，其具有2纳米GaAs加上2纳米AIAs以及20纳米GaAs边缘组成的一百层的超晶格阻挡层21。如图2a所示，在阻挡层上面，晶片被第一保护层22覆盖，即非结晶As层，其保护阻挡层21的表面并因此确保阻挡层表面的干净和分子光滑，这对成功的快速生长非常重要。

在图2b中，将单壁纳米管23沉积在非结晶As层22的表面。

在纳米管23沉积之后，将非结晶As层22在大约T＝400℃温度下蒸发掉，而GaAS的表面是在T＝450-500℃的As气体中富集As。这使纳米管留在干净而分子光滑的GaAs表面。

然后，如图2c所示，样品就会在低温Ga_1-xMn_xAs(T＝250℃，x＝5％)的情况下快速生长，以获得外延薄膜层GaMnAs24。由于两个原因优选外延薄膜层GaMnAs。通过GaMnAs膜蚀刻可得到结构的最小尺寸与厚度成比例。而且，电磁特性似乎在薄膜层GaMnAs中得到加强。已经制备了厚度从20纳米到50纳米的GaMnAs膜。GaMnAs被5纳米的GaAs覆盖以防止氧化(未示出)。为了使半导体的电磁特性得到最优化，通过在生长后使MBE系统中的基片在生长温度下保持几个小时，进行GaMnAS膜的退火。如图2c所示，产物是密封在GaMNAS膜下边的单壁纳米管。紫外平版印刷制定的台式晶体管通过蚀刻得到。半导体通过湿式蚀刻：H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O(1∶1∶38)来蚀刻，其蚀刻的速度为100纳米/分钟。蚀刻的深度由蚀刻时间控制。

GaMnAs条30是利用电子束平版印刷术设计并蚀刻的，使纳米管成为分离的GaMnAs岛状物之间的连接器，如图2d所示，其是利用AFM获得的导线之间的放大图，例如在图3a中的导线31-32，32-33等。连接GaMnAs和纳米管的金导线是通过电子束印刷术和升离设定的。湿式蚀刻与上面相同，槽的深度比GaMnAs膜深大约20纳米。

较大的垫也是利用紫外平版印刷术和升离来制造的，这些接触垫用来连接包含器件的纳米管到例如芯片载体300的针脚，如图3c所示。

图4a说明了二维(2D)电子气场效应晶体管40，该2D电子气场效应晶体管是由包含外延快速生长管41的半导体异质结构制成。源极42和漏极43是传统的扩散接触。管41构成门极。这种器件的优点是其小尺寸，也就是，源极42与漏极43之间的距离可以小于5纳米。而且，该管还具有低电导率，这表明这种器件具有很低的RC值。2D电子气被限制在参考数字44指定的层中。

图1和图4所示的器件可能可以集成到一个网络，其中管继续用作所需的门极和激活的效应晶体管元件。

图5说明一个管激光器。半导体腔50包含半导体单壁纳米管51，其被掺杂形成p-n结。外加电压52在管子中产生电子和空穴以便再结合，由此光53就会从管子中射出。这里半导体腔被绘成由布拉格反射体54设定的垂直激光器。

图6表示了纳米电子机械系统(NEMS)的制造。在图6a中，例如炭纳米管或纳米线的纳米级延长物体60设置在基片61上并且因此会通过外延层62快速生长。通过运用平版印刷术，例如Au薄膜图案的金属垫63和64被施加到这种结构的表面。它们可以用作模板元件，所以当外延层和基片暴露于腐蚀剂时就会在外延层和基片中形成槽65，参见图6b。此方法会产生独立的延长纳米级物体66，悬于“支柱”之间。此悬挂的物体可以通过可作为源极67和漏极68的独立金属触点来发生电连接。此悬挂的物体可以暴露于例如来自直接操作的机械微扰或热引起的颤动，并且用作具有电子读数的纳米级机械传感器。

尽管本发明的描述都与优选实施例相关，但并不是希望局限在这里所阐述的具体形式。相反地，本发明的范围仅由其权利要求所限制。

本发明的功能性不限于以上所举的那些例子，因此在本发明要旨之内的任何种类的功能性都可以设想到。

Claims (53)

1.一种使用至少一个外延层快速生长延长纳米级元件的方法，该方法包括步骤：

(a)提供基片，其中此基片或者至少基片的顶层具有支持外延层的外延生长的表面；

(b)将延长纳米级元件置于该基片上；

(c)用外延层外延地快速生长该基片和延长纳米级元件，并且由此至少部分地将该延长纳米级元件封装到外延生长层中；以及，

(d)在该层中制备一个或者多个部件，该一个或者多个部件通过平版印刷的方式制备。

2.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层是半导体的或金属的。

3.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层通过分子束外延生长。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层通过化学气相沉积方法或液相沉积方法生长。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层的厚度可以在5纳米到5微米之间，例如厚度在5纳米到1微米，例如厚度在5纳米到500纳米之间，例如厚度在5纳米到100纳米之间，例如厚度在10纳米到75纳米之间，例如厚度在20纳米到50纳米之间，例如厚度在20到30纳米之间。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层是磁性的。

7.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层是GaMnAs、GaAlAs、GaAs、SiGe、GaInAs、InP、Si、SiGe、GaN、GaAlN、Al、Ag、Au、Cu、如MnGa的金属合金和单与双锰铝铜强磁性合金(CoMnGa、Co2MnGa)以及半金属铁磁体、有机半导体，例如3，4，9，10-二萘嵌苯四酸(perylenetetracarboxylic)、3，4，9，10-二酐(dianhydride)(PTCDA)和4，9，10-二萘嵌苯四酸二酐(PTCDA)染色剂分子。

8.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中一个或更多元件是通过下列方式确定的：电子束、X射线束、离子束、紫外平版印刷、AFM平版印刷、纳米印刻平版印刷或荫罩技术。

9.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中基片或至少基片的顶层是半导体的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中基片或至少基片的顶层是掺杂成n型或p型。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中至少基片的顶层是实质性的单晶形材料。

12.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中至少基片的顶层通过分子束外延生长。

13.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中至少基片的顶层通过化学气相沉积方法或液相沉积方法生长。

14.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中基片和顶层中至少之一包含定位记号。

15.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中基片包含GaAs、Si、SiN、SiC、玻璃、金属氧化物，如Al₂O₃。

16.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中基片或顶层由阻挡层覆盖。

17.根据权利要求16所述的方法，其中至少顶层和外延层的晶格常数是通过设置在基片和外延层之间的阻挡层来相匹配的。

18.根据权利要求16到17中的任一项所述的方法，其中阻挡层包含堆叠的层。

19.根据权利要求18所述的方法，其中至少一层包含与基片或顶层材料相适合的材料。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中阻挡层形成超晶格。

21.根据权利要求18到20中的任一项所述的方法，其中层堆中的层的厚度是在1纳米到5纳米之间，例如在1纳米到3纳米之间的厚度，例如在2纳米到4纳米之间的厚度，例如2纳米的厚度。

22.根据权利要求18到21中的任一项所述的方法，其中堆叠的层的厚度可以在5纳米到1000纳米之间，例如在25纳米到750纳米之间，例如在50纳米到500纳米之间，例如在75纳米到250纳米之间，例如100纳米的厚度。

23.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中基片或至少基片的顶层由第一保护层覆盖。

24.根据权利要求16到22中的任一项所述的方法，其中阻挡层由第一保护层覆盖。

25.根据权利要求23或24中的任一项所述的方法，其中第一保护层是非晶砷、硫、氢或氧的层。

26.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中还包含在外延快速生长基片和外延纳米级元件之前的退火的步骤。

27.根据权利要求23到26中的任一项所述的方法，其中基片是GaAs，阻挡层包含AlAs和GaAs层的超晶格，外延层是GaMnAs并且第一保护层是As。

28.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中外延层由第二保护层覆盖。

29.根据权利要求28所述的方法，其中第二保护层的厚度是在2到10纳米之间。

30.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件是纳米线。

31.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件是纳米须。

32.根据权利要求30和31中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件是由以下的任何材料制成：碳、Si、SiC、B、BN、Pt、SiGe、Ge、Ag、Pb、ZnO、GaAs、GaP、InAs、InP、Ni、Co、Fe、Pb、CdS、CdSe、SnO₂，Se、Te、Si₃N₄或MgB₂。

33.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件是碳纳米管。

34.根据权利要求33所述的方法，其中碳纳米管是单壁的或多壁的。

35.根据权利要求30、33或34中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件是绝缘的、半导体的或金属的。

36.根据权利要求33到35中的任一项所述的方法，其中碳纳米管是用激光烧蚀、电弧法、化学气相沉积法(CVD)或高压CO CVD来生长的，并且随后被置于表面上以支持外延层生长。

37.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件通过液态沉积的方法置于基片上。

38.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件在没有催化材料的存在下生长，例如通过退火的硅碳化合物。

39.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中将催化材料的岛状物或微粒置于基片上，并且碳纳米管在基片上从催化材料中生长。

40.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中为获得在基片上的延长纳米级元件的特定方向或定位，在步骤(c)之前处理外延纳米级元件。

41.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中延长纳米级元件用作除热元件。

42.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中金属接触垫是通过平板印刷和升离的方法来形成并连接到部件。

43.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中部件是电子部件。

44.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中器件是电子器件。

45.根据权利要求44所述的方法，其中电子器件是集成电路。

46.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中单片式集成电路系统通过重复权利要求1到45所述的方法来形成。

47.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中包括外延层的延长纳米级元件用作导热层。

48.通过权利要求1到49所述的方法提供的一种电子部件。

49.通过权利要求1到47所述的方法提供的一种电子器件。

50.根据权利要求49所述的电子器件，其中电子器件是集成电路。

51.通过权利要求1到45所述的方法提供的一种单片式集成电路系统。

52.通过权利要求1到47所述的方法提供的一种光学器件。

53.通过权利要求1到47所述的方法提供的一种纳米电子机械系统。

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